基于FPGA和STM32单片机的超声波碎石系统的研究与设计

摘要

在现代生活中,随着人们生活节奏加快、生活水平的提高,由于缺乏运动导致大多数人们的身体处于亚健康状态,特别是近几年来国内各种环境污染恶化,导致结石类疾病发病率激增,而传统结石治疗的唯一有效方法是手术取石,即开放性手术。在此背景下,随着科学技术迅速发展,体内超声波碎石技术应运而生,使用该碎石技术不仅可以提高碎石效率,而且伤口小、恢复时间短、对患者身体损害小。然而,由于制作工艺的不足,国内的超声波碎石系统普遍存在一系列问题,而国外进口该设备价格昂贵,因此需要很好的解决这些问题,让该技术能够跟好的为人民服务。
　　超声波碎石系统的原理是通过一个信号源输出与超声换能器谐振点相匹配的固定频率的正弦信号,因此对信号源输出信号质量要求比较高。同时,由于工艺上的缺陷导致超声换能器在工作过程中其谐振频率点会随着工作温度和环境发生变化,如果信号源输出信号不能跟随换能器谐振频率变化,将会使超声换能器工作效率降低,从而影响碎石效果,不能完全碎石。
　　在此背景下,本文首先对超声波碎石系统的工作原理进行了比较详细的说明,接着对各个可行方案的优缺点进行论述和比较,在此基础上提出了一种基于FPGA和STM32的超声波碎石的设计方案。该系统采用Cyclone系列第二代FPGA作为信号源发生器和控制器,用于输出正弦信号和调节输出频率;同时,系统采用串口液晶触摸屏作为人机交互工具,并采用STM32作为控制核心,通过串口与液晶屏进行通信,并通过I/O口与FPGA进行数据交换。本系统设计的基于FPGA和STM32的控制系统输出信号稳定,输出频率能跟随换能器谐振频率变化而变化,系统反馈调节精度高。
　　经过半年多的测试,完成了该控制器的研究工作,并制作了一套控制方案,该系统工作稳定,能量转换效率高,碎石效果明显,基本满足设计要求,现已通过国家相关部门的审核,符合要求,已运用与临床测试。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文所做的主要工作

第2章 超声波碎石系统的理论基础

2.1 超声波碎石系统原理介绍

2.2 超声波换能器的研究

2.3 信号发生器的研究

2.4 自动频率跟踪方案的研究

第3章 系统设计

3.1 系统设计要求

3.2 总体设计介绍

第4章 系统硬件设计

4.1 硬件电路框架

4.2电源设计电路

4.3 FPGA控制电路

4.4 STM32控制电路

第5章 系统软件设计与仿真

5.1 基于Matlab的DDS波形仿真验证

5.2 基于Quartus II的FPGA功能模块的设计

5.3 系统正常工作时间在软件上的实现

第6章 系统调试及控制结果分析

第7章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢