植入式医疗设备无线电能传输电路的设计

吕德深

（南宁学院机电与质量技术工程学院，广西南宁，530200）

0 引言

最近几年，科学技术快速发展，植入式医疗设备受到了越来越多的研究者的关注。有线供电和无线供电通常是植入人体的医疗设备的两种主要供电方式[1]。有线供电对于患者携带极为不方便，而无线供电则优势明显。无线供电优势不需要直接接触电线、携带方便。因此，无线电能传输在植入式医疗设备上得到了广泛的应用[2-3]。

如今各种植入医疗设备在快速发展，无线电能传输技术成为研究的热点对象，应用于各种各样的设备，如心脏搏起器、人工心脏、人工耳蜗等[4]。无线电能传输设备不需要增加连接电线，使用起来非常方便。

常见的无线电能传输的方式有：感应式电能传输和磁耦合谐振式电能传输。磁耦合谐振式无线电能输与感应式电能传输相比有较大的优势，有传输距离较远、传输效率较高、可以穿过没有磁导性障碍物传输电能更强等优点。因此，本文设计了一磁耦合谐振式无线电能传输电路，可供植入式医疗设备提供参考与借鉴。

1 总体方案设计

感应式无线电能传输电路的设计简单，不需要非常高的匹配参数就能实现电能感应传输，但传输距离较近、效率不高，不适合植入式医疗设备中[5]。磁耦合谐振式无线电能传输电路的设计需要精确计算发射电路和接收电路的谐振参数，才能使得电能传输更远、效率更高。

为了实现磁耦合谐振式无线电能传输，系统主要包括发射部分和接收部分[6-7]。发射部分包括电源转换单元、控制器单元、按键单元、液晶显示单元、信号发生单元、线圈驱动单元、发射线圈等；接收部分包括接收线圈、整流滤波单元、负载等。系统总体框图如图1 所示。电源转换单元是系统的输入部分，一方面为发射部分的控制器单元、按键单元、液晶显示单元、信号发生单元等提供电源，另一方面为电能发送提供必要的条件。控制器单元是系统的核心部件，主要用于实现按键的识别、液晶显示控制、信号发生控制等。信号发生器单元作用是识别单片机的指令产生脉冲信号。线圈驱动单元是将信号发生单元产生的脉冲信号进行电压电流放大，从而驱动线圈，形成震荡变化的电流。线圈将震荡的电流变成磁场发射出去。接收线圈与发射线圈形成共振，将变化磁场转化成变化的电压。整流滤波单元将接收线圈形成的交流电压整流滤波后供给负载工作。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

■2.1 电源转换单元设计

常见的电源转换电路有线性电源电路和开关电源电路两类。线性电源电路的功率管工作在线性区域，而开关电源电路的功率管工作在开关状态，因此开关电源电路效率较高。为了提供系统的工作效率，电源转换单元采用开关电源电路模块LM2596，将输入的+12V 电源转换为+5V 电源供给单片机、液晶、按键、信号发生电路等工作,其电路图如图2 所示。图中LM2596 采用输出恒压5V 的芯片LM2596-5V，该芯片工作频率高达150kHz,只需外接简单的几个器件（图中C111、C12、L3、D3）就可以实现输出高效稳定的电压。

图2 电源转换单元电路图

■2.2 控制器单元设计

控制器单元只需将按键信息识别、输出频率显示、信号发生模块控制即可，本系统采用低成本的STC89C52 单片机进行控制。STC89C52 单片机拥有8K 字节系统可以进行编程Flash 存储器，含有512 个字节，具有价钱实惠、使用方便、编程容易等特点。在8 位单片机市场中占有很大份额，并且自带看门狗复位电路，实现非法指令码检测复位和非法地址检测复位等系统保护。其电路图如图3 所示。控制器单元包括单片机STC89C52 芯片、复位电路（图中S1、C5、R4）、晶振电路（图中Y1、C9、C10）、P0 口上来电阻排RP1。

图3 控制器单元电路图

■2.3 按键与液晶显示单元设计

按键用于设置频率大小，液晶显示设置频率的大小，其电路图如图4 所示。按键采用两个独立键盘的形式，单片机只需采集P34、P35 的高低电平就可以检测出是否有按键按下，若有按键按下则执行相应的加减频率动作。液晶显示单元采用LCD1602 显示模块，是一种由彩色或者黑白像素组成的液晶显示屏，一共能够显示32 个字符。LCD1602 模块电路简单，外接元件少，只需外接一个可调电阻对比度即可，图中W1 用于调节液晶。

图4 按键与液晶显示单元电路图

■2.4 信号发生单元设计

产生脉冲信号通常用多谐振荡器产生、晶体振荡器产生、直接数字频率合成（DDS），为了得到稳定可靠、容易调节的脉冲信号，本系统采用DDS 集成芯片产生，其电路图如图5 所示。图中U1 为AD9833 集成芯片，AD9833 是一种能产生正弦波、三角波、脉冲信号多种波形DDS 芯片，其输出的频率和相位可进行软件编程，调整非常简单，不需要太多外部元器件。AD9833 频率设置为28 位的寄存器，如果它的时钟源为25M，通过编程能得到0.1Hz 分辨率的时钟；相同的道理，如果它的时钟源为25M，可以得到0.004Hz分辨率的时钟。图中AD8051 与R1、R2 组成的是同相放大器电路，将AD9833 输出的信号进行放大6 倍左右。

图5 信号发生单元电路图

■2.5 线圈驱动及线圈单元设计

信号发生单元输出的信号不能直接驱动发射线圈，因此，需要增加线圈驱动电路，其电路如图6 所示。XKT1511是一个30W 大功率OTL 输出的芯片。图中Q1 和Q2 组成互补推挽电路，实现推动XKT1511 芯片。

■2.6 接收部分电路设计

接收部分电路图如图7 所示。图中L2、C6 与图6 中L1、C2参数一致，这样发射线圈和接收线圈更容易产生谐振。图中D1 为整流二极管，将线圈上的交流电转化为直流电；C7、C8 为滤波电容、D2 为负载发光二极管。

图6 线圈驱动及线圈单元电路图

图7 接收部分电路图

3 系统软件设计

系统采用C 语言进行编程，采用Keil uVision4 进行编写和编译系统代码。Keil uVision4 编译速度非常快，只需要非常短的时间就可以把代码编写成HEX 文件，还带有自动查错的功能，非常好用。通过编写程序可以利用语言把需要控制的部分连接在一起，形成一个功能强大的系统。

在编写系统程序中，首先对单片机、DDS 模块和显示模块进行初始化，接着检测是否有按键按下，若有按键按下进行按键处理并更新显示，最后将数据传送给AD9833 进行更新输出波形，其总体程序流程图如图8 所示。

图8 系统总体程序流程图

4 总结

本文所设计的磁耦合谐振无线电能传输将体外的电能以磁场为载体，对植入医疗设备进行提供能量。这种供电技术不会损伤皮肤，避免感染，减少治疗痛苦，可大大提高和改善病人的生活质量。希望本文能为植入式医疗设备设计提供参考与借鉴。