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摘要：采用光照辐射可以促进糖尿病足溃疡愈合，但光照强度控制不当，极有可能造成患者的低温烧伤。本文介绍一种具有模糊PID控制的神经血管治疗仪的设计，该治疗仪采用嵌入式ARM设计，通过红外温度传感器采集患者照射部位的温度，根据模糊PID算法控制调节LED照射功率，能够是使患者治疗部位的温度控制在预设范围，有效避免患者被烧伤。
关键词：模糊PID;嵌入式;治疗仪
中图分类号G644 文献标识码：A
ABSTRACT：The light radiation can promote the healing of diabetic foot ulcer，but improper of light intensity will causing low temperature burn. This paper introduces the design of a neurovascular therapy instrument with fuzzy PID control. The instrument adopts embedded arm design，collects the temperature of the patient's irradiation site by infrared temperature sensor，and adjusts the irradiation power of LED according to the fuzzy PID algorithm，which can control the temperature of the patient's treatment part in the preset range，and effectively avoid the patient being burned.
KEY WORDS：Fuzzy PID;Embedded;Therapeutic instrument
引言
糖尿病是世界范围内的一种常见疾病，约15%的糖尿病患者将发生糖尿病足溃疡[1]，如果感染及溃面不能得到有效的控制，约有20%的糖尿病足患者将面临截肢的风险[2]。随着物理康复技术的发展，采用激光、红外光等光照辐射仪器照射溃疡部位，促进糖尿病足溃疡愈合的方法逐渐进入临床。
本文介绍一种模糊PID控制的神经血管治疗仪的设计，该仪器采用红光和红外光LED对患者溃疡部位进行照射治疗，并通过红外探头检测患者被照射部位的体温，根据模糊PID控制方法调节光照强度，使得患者在使用红光-红外光治疗时，有效避免患者被烧伤。
1系统设计
1.1整机设计
基于模糊PID控制的神经血管治疗仪系统设计如图1所示，主控芯片采用嵌入式ARM设计，包括触摸显示屏、红外测温模块、LED驱动电路、输出调节电路、LED阵列等模块组成。系统通过MLX90615集成式红外温度传感器采集患者照射部位的温度，嵌入式系统根据模糊PID算法控制LED驱动电路和输出调节电路，从而调节阵列式LED阵列的照射功率，使患者治疗部位的温度控制在预设值范围。
1.2基于模糊PID温度控制
治疗仪的温度控制系统采用模糊PID控制方案，控制原理如图2所示。图中r（t）为输入，y（t）为输出，E为输入的温度偏差，Ec为偏差变化率，u（k）为控制量。Kp是加快响应的比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。系统通过输入当前温度偏差E和偏差变化率Ec，利用模糊规则进行模糊推理，解模糊后进行PID参数调整[3]，从而调节输出温度达到预定值。
2系统设计
2.1 ARM控制系统
系统采用STM32F103作为控制核心，该处理器是ST公司基于Cortex-M3内核推出的32位标准RISC处理器，具有很高的代码效率，提供了优秀的计算性能和先进的中断响应系统，具有丰富的通用I/O端口，工作频率达72MHz，内置20K的SRAM和256K的Flash存储器。在电机驱动、手持设备、实时控制、医疗设备等领域具有广泛的应用。
2.2红外测温模块的设计
系统的温度测量采用非接触式多点红外测温系统，即在LED阵列中嵌入数个MLX90615红外温度传感器，在光照治疗的过程中测量患者治疗部的温度。
MLX90615内部集成了红外传感器、放大器、16位模/数转换器、滤波器和DSP单元等，其结构如框图如图1中虚框内所示。红外传感器将采集到的温度转化为电信号，经低噪声运算放大器放大后，由模/数转换器转换为数字信号，经FIR/IIR滤波器处理，送到数字信号处理器进行运算和处理，并将测量结果出入MLX90615内部RAM中，主控ARM可以通过SMBus或PWM方式读取测量结果。
2.3 LED阵列输出控制模块
（1）LED驱动电路
本系统采用数字可调电源来控制输出到LED阵列的电压。LED驱动电路以LM2576-ADJ为核心，LM2576-ADJ是降压型集成稳压器，最大输出电流为3A。功放电路如图3所示，LM2576-ADJ输入电压Vin为15V，输出电压计算公式如。其中，Vref=1.23V，R2=10k?，Rref为数字电位器MCP4161的阻值，MCP4161最大值10k?，255级可调，主控芯片STM32F103通过串行外设接口（SPI）与MCP4161通讯，通过调整MCP4161的阻值，使Vout在2.46V-15V可调，用于控制输出到LED阵列上的电压，实现输出功率调节。
（2）输出调节电路
输出调节电路如图4所示，图中P2为连接LED阵列的接口，+Vss是功放电路调节后的输出电压，P2连接的LED阵列是否工作由场效应管Q3控制。PWM是来自ARM的脉宽调制信号，经Q4调幅后，作为场效应管Q3的开关信号。当PWM为低电平时，Q3导通，LED阵列正常工作，LED阵列中嵌入的MLX90615红外温度传感器停止工作;当PWM为高电平时，Q3截止，LED阵列停止发光，MLX90615红外温度传感器采集患者治疗部位的温度。
通过PWM信号的调节，一方面可以使LED阵列和红外温度传感器交替工作，减小对红外温度传感器的干扰，提高温度测量的准确度;另一方面，使得输出到负载上的电压不是稳压直流电源，而是经过调制的PWM直流電源，可以方便的对LED阵列的功率进行输出微调。
2.4人机交互模块
系统采用了北京迪文公司的10.1吋TFT-LCD触摸屏作为显示终端。该触摸屏自带处理器和FLASH存储器等功能模块，通过RS232串口与主控ARM处理器进行通信，主控ARM向触摸屏发送迪文公司的HMI指令，可以控制屏幕的各项显示;用户通过触摸屏发布的控制命令或输入的数据通过RS232传回给ARM处理器，实现人机交互。
3结论
在对患者进行LED光照射治疗时，通常需要将治疗部位的温度控制在45℃以下。本文介绍了一种基于模糊PID控制的神经血管治疗仪，可以通过模糊PID控制治疗时的温度，能将治疗温度控制在预设值士1℃的范围内，能有效避免患者被烧伤，使用更加安全放心，为糖尿病足患者的康复治疗和临床研究提供了良好的平台。
参考文献：
[1]宋渊，刘涛，何志军，等.糖尿病足溃疡治疗研究进展[J].中国老年学杂志，2019，39（18）：4612-4616.
[2]叶枫叶，董萍.低强度激光疗法在糖尿病足溃疡治疗中的应用的研究进展[J].中华临床医师杂志（电子版），2015，9（11）：2208-2211.
[3]彭小容，彭小玲.基于模糊PID的颗粒食品定量称量控制[J].食品工业，2020，41（06）：226-229.
作者简介：刘虔铖（1982-），男，四川省岳池人，硕士研究生，主要研究方向为医学仪器开放与测试。
基金资助：2018年度广东省医学科研基金（A2018338），2017年度广东食品药品职业学院科研项目（2017ZR008）
广东食品药品职业学院 广东广州 510520
关键词：模糊PID;嵌入式;治疗仪
中图分类号G644 文献标识码：A
ABSTRACT：The light radiation can promote the healing of diabetic foot ulcer，but improper of light intensity will causing low temperature burn. This paper introduces the design of a neurovascular therapy instrument with fuzzy PID control. The instrument adopts embedded arm design，collects the temperature of the patient's irradiation site by infrared temperature sensor，and adjusts the irradiation power of LED according to the fuzzy PID algorithm，which can control the temperature of the patient's treatment part in the preset range，and effectively avoid the patient being burned.
KEY WORDS：Fuzzy PID;Embedded;Therapeutic instrument
引言
糖尿病是世界范围内的一种常见疾病，约15%的糖尿病患者将发生糖尿病足溃疡[1]，如果感染及溃面不能得到有效的控制，约有20%的糖尿病足患者将面临截肢的风险[2]。随着物理康复技术的发展，采用激光、红外光等光照辐射仪器照射溃疡部位，促进糖尿病足溃疡愈合的方法逐渐进入临床。
本文介绍一种模糊PID控制的神经血管治疗仪的设计，该仪器采用红光和红外光LED对患者溃疡部位进行照射治疗，并通过红外探头检测患者被照射部位的体温，根据模糊PID控制方法调节光照强度，使得患者在使用红光-红外光治疗时，有效避免患者被烧伤。
1系统设计
1.1整机设计
基于模糊PID控制的神经血管治疗仪系统设计如图1所示，主控芯片采用嵌入式ARM设计，包括触摸显示屏、红外测温模块、LED驱动电路、输出调节电路、LED阵列等模块组成。系统通过MLX90615集成式红外温度传感器采集患者照射部位的温度，嵌入式系统根据模糊PID算法控制LED驱动电路和输出调节电路，从而调节阵列式LED阵列的照射功率，使患者治疗部位的温度控制在预设值范围。
1.2基于模糊PID温度控制
治疗仪的温度控制系统采用模糊PID控制方案，控制原理如图2所示。图中r（t）为输入，y（t）为输出，E为输入的温度偏差，Ec为偏差变化率，u（k）为控制量。Kp是加快响应的比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。系统通过输入当前温度偏差E和偏差变化率Ec，利用模糊规则进行模糊推理，解模糊后进行PID参数调整[3]，从而调节输出温度达到预定值。
2系统设计
2.1 ARM控制系统
系统采用STM32F103作为控制核心，该处理器是ST公司基于Cortex-M3内核推出的32位标准RISC处理器，具有很高的代码效率，提供了优秀的计算性能和先进的中断响应系统，具有丰富的通用I/O端口，工作频率达72MHz，内置20K的SRAM和256K的Flash存储器。在电机驱动、手持设备、实时控制、医疗设备等领域具有广泛的应用。
2.2红外测温模块的设计
系统的温度测量采用非接触式多点红外测温系统，即在LED阵列中嵌入数个MLX90615红外温度传感器，在光照治疗的过程中测量患者治疗部的温度。
MLX90615内部集成了红外传感器、放大器、16位模/数转换器、滤波器和DSP单元等，其结构如框图如图1中虚框内所示。红外传感器将采集到的温度转化为电信号，经低噪声运算放大器放大后，由模/数转换器转换为数字信号，经FIR/IIR滤波器处理，送到数字信号处理器进行运算和处理，并将测量结果出入MLX90615内部RAM中，主控ARM可以通过SMBus或PWM方式读取测量结果。
2.3 LED阵列输出控制模块
（1）LED驱动电路
本系统采用数字可调电源来控制输出到LED阵列的电压。LED驱动电路以LM2576-ADJ为核心，LM2576-ADJ是降压型集成稳压器，最大输出电流为3A。功放电路如图3所示，LM2576-ADJ输入电压Vin为15V，输出电压计算公式如。其中，Vref=1.23V，R2=10k?，Rref为数字电位器MCP4161的阻值，MCP4161最大值10k?，255级可调，主控芯片STM32F103通过串行外设接口（SPI）与MCP4161通讯，通过调整MCP4161的阻值，使Vout在2.46V-15V可调，用于控制输出到LED阵列上的电压，实现输出功率调节。
（2）输出调节电路
输出调节电路如图4所示，图中P2为连接LED阵列的接口，+Vss是功放电路调节后的输出电压，P2连接的LED阵列是否工作由场效应管Q3控制。PWM是来自ARM的脉宽调制信号，经Q4调幅后，作为场效应管Q3的开关信号。当PWM为低电平时，Q3导通，LED阵列正常工作，LED阵列中嵌入的MLX90615红外温度传感器停止工作;当PWM为高电平时，Q3截止，LED阵列停止发光，MLX90615红外温度传感器采集患者治疗部位的温度。
通过PWM信号的调节，一方面可以使LED阵列和红外温度传感器交替工作，减小对红外温度传感器的干扰，提高温度测量的准确度;另一方面，使得输出到负载上的电压不是稳压直流电源，而是经过调制的PWM直流電源，可以方便的对LED阵列的功率进行输出微调。
2.4人机交互模块
系统采用了北京迪文公司的10.1吋TFT-LCD触摸屏作为显示终端。该触摸屏自带处理器和FLASH存储器等功能模块，通过RS232串口与主控ARM处理器进行通信，主控ARM向触摸屏发送迪文公司的HMI指令，可以控制屏幕的各项显示;用户通过触摸屏发布的控制命令或输入的数据通过RS232传回给ARM处理器，实现人机交互。
3结论
在对患者进行LED光照射治疗时，通常需要将治疗部位的温度控制在45℃以下。本文介绍了一种基于模糊PID控制的神经血管治疗仪，可以通过模糊PID控制治疗时的温度，能将治疗温度控制在预设值士1℃的范围内，能有效避免患者被烧伤，使用更加安全放心，为糖尿病足患者的康复治疗和临床研究提供了良好的平台。
参考文献：
[1]宋渊，刘涛，何志军，等.糖尿病足溃疡治疗研究进展[J].中国老年学杂志，2019，39（18）：4612-4616.
[2]叶枫叶，董萍.低强度激光疗法在糖尿病足溃疡治疗中的应用的研究进展[J].中华临床医师杂志（电子版），2015，9（11）：2208-2211.
[3]彭小容，彭小玲.基于模糊PID的颗粒食品定量称量控制[J].食品工业，2020，41（06）：226-229.
作者简介：刘虔铖（1982-），男，四川省岳池人，硕士研究生，主要研究方向为医学仪器开放与测试。
基金资助：2018年度广东省医学科研基金（A2018338），2017年度广东食品药品职业学院科研项目（2017ZR008）
广东食品药品职业学院 广东广州 510520