基于FPGA的超声波清石系统的设计与实现研究

摘要

超声波特有的高定向性、强穿透性、高能量性，使得超声波在医学的眼科、外科、肿瘤科、牙科、皮肤科、耳鼻喉科等得到广泛应用。国际上，随着现代电子技术的进歩，超声清石系统也逐渐朝着高可靠性、高稳定性的方向发展。但是，由于控制技术积累不足，材料工艺存在若干缺陷，国内的超声清石系统存在碎石效果不佳，超声手柄和超声探杆容易损坏的缺陷，不能被国内外市场广泛接受。
　　本课题的目的是从控制方面提升超声清石系统的性能和可靠性。本课题基于压电超声换能器的模型重新设计了超声清石系统的控制方案；应用PID算法实现了相位差到信号频率的高速计算，加快了驱动器输出信号的频率跟踪速度，提升了超声手柄的输出功率；应用FFT频谱分析实现超声换能器的异常工作状态检测，增加了压电超声换能器驱动器的保护功能，有效提高了硬件的可靠性。
　　本文系统地介绍了压电超声换能器的原理，并对压电超声换能器建立了模型，为其控制方案的设计打下理论基础。根据理论分析，为了追求功率输出最优化，信号源输出信号的频率需要以最短的时间跟踪压电换能器的谐振点，所以控制方案必须满足高速接口和高速运算两个基本条件。在若干个控制方案中，本文选择用片上系统的思想设计压电超声换能器的控制系统，即在FPGA内部构建Nios II软核，不仅可以根据子功能的特点灵活选择高速数字电路实现方式或者代码实现方式，将高速和低速有机结合起来；而且让系统集成化程度提高，充分利用了资源。本文分两个章节从硬件和软件两个方面细化并且实现了设计方案，完成了系统设计。最后给出了实验结果。
　　本课题主要创新点有以下几点：
　　1.提出基于压电超声换能器模型的超声清石手柄控制方案。
　　2.将改进的PID算法应用到超声清石手柄驱动领域，极大提高了压电超声换能器谐振点匹配速度。
　　3.通过实时监测功率和失真度实现了超声清石手柄的过功率保护和非谐振点保护。

目录

第1章 绪论

1.1 泌尿系统结石外科医疗器械发展现状

1.2 超声清石设备的国内外现状

1.3 本课题来源

1.4 主要研究内容及结构安排

第2章 超声波清石系统理论基础

2.1压电超声波换能器的研究

2.2 PID算法在压电换能器频率控制中的应用

2.3 FFT算法在压电换能器电流失真度检测中的应用

第3章 硬件设计

3.1 超声波清石机控制系统硬件概述

3.2 FPGA控制电路

3.3 DDS信号发生电路

3.4正弦波功率放大电路

3.5 相位检测电路

3.6失真度和功率检测电路

第4章 软件设计

4.1 FPGA设计思想和其他基础知识

4.2 FPGA代码总体架构

4.3 频率跟踪DDS模块的FPGA实现

4.3 超声手柄保护功能的实现

4.4 人机交互程序

第5章 实验调试与结果分析

5.1 实验平台验证与调试

5.2 实验结果分析

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

声明