一种实验室超声波生物处理的PWM驱动流程

摘要

一种一体可视化实验室超声波生物处理的PWM驱动流程：设置计时时钟初值，读取正弦波半周脉冲个数；控制器芯片各引脚寄存数据清零；从PWM脉冲数据库读取上升沿时刻数据和脉宽数据；计时开始；根据反馈周期修正PWM脉冲数据库中的脉冲周期和脉冲上升沿数据；计时变量达到脉冲上升沿时刻数据值，进入下一步；以脉宽数据赋值控制器芯片引脚寄存并输出；完成上半周脉宽数据赋值并输出，控制器芯片各引脚寄存数据清零；计时变量初始化；完成下半周脉宽数据赋值并输出，一个PWM驱动数据周期结束。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验室用超声波生物处理系统、工作软件及工艺、方法。

背景技术

超声波生物处理的实验室装置及工艺、方法目前仍然是单频处理、分组对照、归纳效果的模式。目前超声波生物处理的实验室方法是：通过事先设定或选择超声波发生设备的某一工作频率，然后以该频率的超声波作用于处理对象。但超声波对对象的处理速率与超声波频率高度相关，超声波频率不同，处理效率大不相同；而且，处理对象的生物细胞种类更与超声波频率高度相关，不同的生物细胞，对不同频率超声波的敏感性大不相同。这就造成了现有超声波生物处理方法的初次超声波频率确定的盲目性，进而，对额外进行超声波频率分析、确定形成依赖性。实际工作过程是：利用某生物细胞在不同频率下的处理情况，进行分频带对照、分析确定，得到有关数据；在以后的工作中，沿用该特定对象的数据，经验地确定适合的超声波频率。这已是习惯做法。本质上，这样的方法并不能保证所工作的超声波频率就是对对象高效的最佳频率，也不能对不同的对象进行精确的精细频率调整，积累的经验也就不是最佳工艺的；加之，该方法不仅在初期大量耗费人力、财力、物力，而且在沿用期也经常地要求观察、调整和维护。鉴于此，有必要研发一种新的高效策略，使超声波生物处理工作不再沿用先经分频带对照、分析确定超声波频率，再经验地确定所需频率的低效做法，而是将确定所需频率的过程最大限度地高效、自动化进行。解决该类问题的方案可分为多体集成联网可视化结构实验装置、工艺和方法，或多频率一体可视化结构实验装置、工艺和方法。

发明内容

为使超声波生物处理过程的可测、可控，实现生物-机-电一体可视化处理系统中的宽频带搜索、控制，本发明提出一种一体可视化实验室超声波生物处理的PWM驱动流程：

设置计时时钟初值，读取正弦波半周脉冲个数；控制器芯片各引脚寄存数据清零；从PWM 脉冲数据库读取上升沿时刻数据和脉宽数据；计时开始；根据反馈周期修正PWM脉冲数据库中的脉冲周期和脉冲上升沿数据；计时变量达到脉冲上升沿时刻数据值，进入下一步；以脉宽数据赋值控制器芯片引脚寄存并输出；完成上半周脉宽数据赋值并输出，控制器芯片各引脚寄存数据清零；计时变量初始化；完成下半周脉宽数据赋值并输出，一个PWM驱动数据周期结束。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

SuSt1.设置计时时钟变量t

SuSt2.控制器芯片U

SuSt3.从PWM脉冲数据库PWDB读取第i个脉冲上升沿时刻数据τ

SuSt4.若读取的超声波处理反馈周期T

SuSt5.若计时时钟变量t

SuSt6.以第i个脉宽数据τ

SuSt7.若尚未否完成N

SuSt8.运行SuSt3～SuSt5的过程。

SuSt9.以第i个脉宽数据τ

SuSt10.若尚未否完成N

本发明的有益效果是：由于一体化，使系统结构和运行操作大大简化，便于通过程序软件的改变，方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，可以实现运行数据的自动储存，使得超声波生物处理过程的可测、可控，实现生物-机-电一体化，有助于实现超声波生物处理的智能化；可连续监控、调节换能器的频率以提供最佳的超声输出；其利用触摸屏显示器的过程监控、参数图示功能不仅可对所有处理运行参数进行专门编程，用图形表达超声频率、功率、处理速度和处理过程理化参数的变化；通过其操控终端的人机对话方式，可对处理程序进行调整，操作人员可按提示输入有关数据，操作直观明了；免去了分频带对照、分析确定最佳频率的漫长时间消耗，容易找到各种生物细胞处理的合适频率，快速建立其最佳工艺条件。采用谐振电感器增设副边绕制电流检测线圈方式，提高了电感线圈的效用/体积比，进而解决了电感线圈进行一点、电流检测的难题，进而减少了机体空间占用，大大提高了检测点利用率。电路是一种高性价比的超声波驱动电源电路，可有力驱动处理槽换能器，使得实验室超声波生物处理装置成为便携式、易操作、适用于各种场合的广泛适用型生物处理的超声波实验、试验装置，且工作过程无噪音，现场空间占用少，适合随时随地地应需求使用。便于实现、调整，结构简单，易于批量生产；系统的软、硬件构成使得维护、维修简便易行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是处理槽声强检测反馈电路结构图。

图2是处理槽光强检测反馈电路结构图。

图3是超声波功率源输出电流、电压检测反馈电路结构图。

图4是超声波功率源输出周期检测反馈电路结构图。

图5是装置的超声波生物处理系统结构框图。

图6是超声波生物处理系统的工作电源电路结构图。

图7是系统的调功和模式设置电路结构图。

图8是系统的PWM驱动和逆变电路结构图。

图9是系统的功率匹配和频带切换电路结构图。

图10是系统的主控和人机交互电路结构图。

图11是装置的显示器首页操作界面示意图。

图12是显示器的次页操作界面示意图。

图13是显示器的第三页操作界面示意图。

图14是显示器的末页操作界面示意图。

图15是显示器的系统处理效率显示界面示意图。

图16是系统的超声波频率控制系统框图。

图17是超声波周期反馈数据处理流程图。

图18是超声波生物处理运行工作流程图。

图19是系统的频率控制和PWM驱动数据处理FLP.Sys流程图。

图20是系统的人机交互数据处理流程图。

在图1～10、16～19中：R

在图2～10、16～19中：L

在图3～10、16～19中：e为超声波生物处理系统的功率匹配部，T

在图4～10、16～19中：D

在图5～10、16中：a为超声波生物处理系统的电源部，b为超声波生物处理系统的调功部，c为系统的PWM驱动部，d为系统的PWM逆变部，f为系统的频带切换部，h为系统的超声波处理执行部，i为系统的信号处理、控制部，j为系统的人机交互部；E

在图6～10中：K

在图7～10中：C

在图8～10中：LC

在图9～10中：LC

在图10、16中：U

在图11～15中：1.前翻页触摸按钮，2.后翻页触摸按钮，3.上调触摸按钮，4.下调触摸按钮。

在图16～19中：f

在图17～19中：T

在图18～19中：T为超声波处理给定周期，PWDB为PWM脉冲数据库。

在图19中：t

在图20中：P为超声波处理给定功率，L为给定处理时长，τ

具体实施方式

在图1所示的处理槽声强检测反馈电路结构图中：处理槽声强检测反馈电路为以声强传感器S

在图1所示的处理槽声强检测反馈电路结构图和图2所示的处理槽光强检测反馈电路结构图中：处理槽光强检测反馈电路为以UVM-30型紫外线传感器S

在图2所示的电路结构图和图3所示的超声波功率源输出电流、电压检测反馈电路结构图中：超声波功率源输出电流、电压检测反馈电路为以输出电压信号运放A

在3所示的超声波功率源输出电流、电压检测反馈电路结构图中和图4所示的超声波功率源输出周期检测反馈电路结构中：超声波功率源输出周期检测反馈电路为以MAX9382型鉴相处理芯片IC

在图4所示的电路结构图和图5所示的装置的超声波生物处理系统结构框图中：装置的超声波生物处理系统为以系统的信号处理、控制部作为核心环节、超声波处理执行部h作为执行环节的全闭环控制系统。超声波生物处理系统的电源部a将220V交流电变换为三个等级恒定直流电压。并通过系统的母线电源正极接线端E

在图5所示的装置的超声波生物处理系统结构框图和6图所示的超声波生物处理系统的工作电源电路结构图中：

超声波生物处理系统的工作电源电路为以SD4842型PWM控制器芯片U

220V市电通过电源开关K

输出变压器T

反馈限流电阻R

在6图所示的超声波生物处理系统的工作电源电路结构图和图7所示的系统的调功和模式设置电路结构图中：系统的调功和模式设置电路为以MOSFET调功开关Q

在图5所示的装置的超声波生物处理系统结构框图、图6～图7所示的电路结构图和图8 所示的系统的PWM驱动和逆变电路结构图中：

系统的PWM驱动和逆变电路分别为以IR2110型逆变桥左臂驱动芯片Dr

逆变桥左臂驱动逻辑低端输入信号隔离光耦LC

逆变桥左臂驱动芯片Dr

逆变桥左臂驱动芯片Dr

逆变桥左臂驱动高端MOSFET开关Q

在图5所示的装置的超声波生物处理系统结构框图、图6～图8所示的电路结构图和图9 所示的系统的功率匹配和频带切换电路结构中：

系统的功率匹配和频带切换电路为以频带匹配电感线圈W

第一频带继电器驱动信号隔离光耦LC

第一频带继电器驱动三极管T

频带匹配电感线圈W

在图9所示的电路结构图和图10所示的系统的主控和人机交互电路结构图中：

系统的主控和人机交互电路为以Mega16型单片机控制器芯片U

触摸屏显示模块U

控制系统启动键K

控制器芯片U

在图11所示的装置的显示器首页操作界面示意图中：前翻页触摸按钮1及其下方的“模式M”按钮、“频率F”按钮、“功率P”按钮和后翻页触摸按钮2一列布设于屏幕的右侧边位。屏幕的主面从上到下依次布设模式、频率和功率设置显示刻度图。

在图12所示的显示器的次页操作界面示意图中：前翻页触摸按钮1及其下方的“动宽τ

在图13所示的显示器的第三页操作界面示意图中：前翻页触摸按钮1及其下方的“起点F

在图14所示的显示器的末页操作界面示意图中：前翻页触摸按钮1及其下方的“设定P”频率上调触摸按钮3和下调触摸按钮4并排按钮、空排和后翻页触摸按钮2一列布设于屏幕的右侧边位。屏幕的主面左边侧从上到下依次布设“设定P

在图15所示的显示器的系统处理效率显示界面示意图中：前翻页触摸按钮1及其下方的空排和后翻页触摸按钮2一列布设于屏幕的右侧边位。屏幕的主面左边侧从上到下依次布设“效率/差分”和“效率/频点”提示图标。屏幕的主面从上到下横排对应“效率/差分”和“效率 /频点”依次布设各频率点效率差分值显示和各频率点效率实时值显示刻度图。

在图11～图15所示的显示器的系统显示界面示意图中：

在显示器首页操作界面：按前翻页触摸按钮1可返回到系统封面。若确认屏幕主面的模式、频率和功率设置显示刻度图的当前值，则直接按后翻页触摸按钮2进入下页；否则，酌情依次或选择性按“模式M”按钮、“频率F”按钮、“功率P”按钮进入下页进行相应调整设置。

在显示器次页操作界面：按前翻页触摸按钮1可返回到首页操作界面。若确认屏幕主面的“动宽τ

在显示器第三页操作界面：按前翻页触摸按钮1可返回到次页操作界面。若确认屏幕主面的“起点F

在显示器末页操作界面：按前翻页触摸按钮1可返回到第三页操作界面。若确认屏幕主面的“设定P

在图5所示的装置的超声波生物处理系统结构框图、图10所示的系统的主控和人机交互电路结构图和图16所示的系统的超声波频率控制系统框图中：

系统的超声波频率控制系统由比较环节

所设置的超声波处理给定频率f

在图4所示的电路结构图、图10所示的系统的主控和人机交互电路结构图和图17所示的超声波周期反馈数据处理流程图中：首先读取从引脚PA5输入的脉宽时长信号；经控制器芯片U

在图11～15所示的显示器操作界面示意图、图16所示的系统的超声波频率控制系统框图、图17所示的超声波周期反馈数据处理流程图和图18所示的超声波生物处理运行工作流程图中：

Step0.在显示器人机交互界面人工进行诸如处理时长(即用时L)、功率(即设定P

Step1.f

Step2.选取f

Step3.锁频运行运行FLP.Sys。

Step4.若得到谐振频率切换或选定信号，则判断是否到达脉振间歇时点；若未得到谐振频率切换或选定信号，则继续运行FLP.Sys。

Step5.若到达脉振间歇时点，i

Step6.若得到运行停止信号，关闭PWM脉冲数据库PWDB；停止处理运行；若未得到运行停止信号，则执行切换到下一谐振匹配网络。

Step7.判断切换是否完成？若切换完成，则开始下一谐振频率处理运行；否则间歇时间延续，直到切换完成。

Step8.下一脉振开始，返回Step1。

在图18所示的超声波生物处理运行工作流程图和图19所示的系统的频率控制和PWM驱动数据处理FLP.Sys流程图中：

SuSt1.设置计时时钟变量t

SuSt2.控制器芯片U

SuSt3.从PWM脉冲数据库PWDB读取第i个脉冲上升沿时刻数据τ

SuSt4.若读取的超声波处理反馈周期T

SuSt5.若计时时钟变量t

SuSt6.以第i个脉宽数据τ

SuSt7.若尚未否完成N

SuSt8.运行SuSt3～SuSt5的过程。

SuSt9.以第i个脉宽数据τ

SuSt10.若尚未否完成N

在图11～15所示的显示器操作界面示意图、图16所示的系统的超声波频率控制系统框图、图17～19所示的流程图和图20所示的系统的人机交互数据处理流程图中：

St0.在显示器人机交互界面人工进行诸如处理时长(即用时L)、功率(即设定P

St1.读取超声波处理给定功率P

St2.将频率点数N赋值为3，频率间隔G

St3.打开效率实时值数据库BEF；各频率点i记录A

St4.依脉振次序j，用控制器芯片U

St5.打开效率增量差分值数据库BEV，关联效率实时值数据库BEF。

St6.对各频率点i记录A

St7.在各相邻频率点i、i-1和i-1、i-2的平均值A

St8.在效率增量差分值数据库BEV中，对各频率点i效率增量记录C

St9.判断当前频率点i是否高效。

St10.若当前频率点i确认为高效频率点，则锁定当前频率点i运行，跳到St12；若当前频率点i确认为非高效频率点，且未搜遍所有频率点数N，则切换到下一频率点，返回St6。

St11.若已搜遍所有频率点数N，且已到达给定处理时长L或有人工强制停机指令，则关闭效率增量差分值数据库BEV和效率实时值数据库BEF，呼叫，停机；若未到达给定处理时长L或没人工强制停机指令，则返回St4。

St12.若已达到给定处理时长L或有人工强制停机指令，则关闭效率增量差分值数据库 BEV和效率实时值数据库BEF，呼叫，停机；若未到达给定处理时长L或没人工强制停机指令，则继续锁定当前频率点i运行。