近年來發達國家對具有軟殺傷性的非致命武器(nonlethai weapons)表現出日益濃厚的興趣，其中高壓脈沖使生物失能效應研究是發展該類武器的重要課題。電致生物效應高壓脈沖源是關鍵裝置。為了研究不同脈沖參數對生物體的作用．要求脈沖的幅值、寬度和頻率在一定范圍內可調，因此高壓脈沖源基于全固態剛管調制技術實現并由直流高壓電源、串聯IGBT調制開關和控制系統三部分組成。基于8051微控制器的高壓脈沖源控制系統具有設計簡單，電路可靠的優點。但其程序設計一般為前后臺系統，實時性較差，從而使輸出脈沖波形穩定性不能滿足實驗要求。本文基于嵌入式實時操作系統Small RTOS51進行程序設計，以及優化的采樣信號濾波算法，使該高壓脈沖源輸出電壓精度穩定達到0．1％。從而能可靠地用于生物效應實驗。
1 硬件設計
電致生物效應高壓脈沖源要求產生500～5 000 V寬范圍的脈沖高壓輸出，控制系統管理高壓脈沖源所有組件的工作，是實現高可靠性的核心。控制系統的主要功能是：不斷掃描鍵盤獲取電源工作參數／命令，根據設置的參數和不斷采樣的負載電壓值控制高壓脈沖電壓幅值，從而使電源以預定電壓恒壓輸出；采樣初級開關電源狀態，用以實時計算電源輸出功率，以保護實現對象；實時在點陣式彩色圖形液晶屏上顯示電源的工作狀態。高壓脈沖源原理如圖1所示。
控制系統的硬件主要由控制核心、脈寬調制模塊、電壓控制與采樣模塊、鍵盤和顯示模塊、掉電數據保存模塊組成。控制系統結構框圖如圖2所示。
1．1 電壓輸出控制與采樣模塊
當高壓脈沖輸出時，控制系統不斷采樣輸出電壓幅值，并與設定值進行比較，根據比較結果調整初級高壓開關電源的輸出。輸出電壓采樣的準確性和初級高壓開關電源輸出控制精度是實現高壓脈沖精確穩定輸出的關鍵。基于MAX526和MAX197可實現12位分辨率的輸出控制與采樣。為了減少高壓脈沖源初級開關電源引起的高頻干擾對電壓控制與采樣電路的影響，除了對地線進行合理布線外，對MAX526，MAX197的數字電壓源串聯5 Ω電阻進行電源濾波。MAX526，MAX197外圍電路如圖3所示。
1．2 脈寬調制模塊
電致生物效應源需要頻率1～500 Hz，脈寬1～200 μs連續可調PWM信號控制高壓脈沖輸出。實現該PWM信號可以利用8051單片機自帶的計數器，但是考慮到程序設計基于Small RTOS51，和大多數嵌入式操作系統一樣，Small RTOS51會頻繁關閉所有中斷以保護系統的關鍵代碼執行，這會造成基于軟件生成的PWM信號精度較低，因此，本設計采用8254級聯方式實現該PWM信號。
8254有3個獨立的16位減法計數通道，使用單-5 V電源，最大計數頻率10 MHz，使用級聯方式可使計數器0、2使用同一個1 MHz外部晶振，計數器2工作方式3，計數值固定為20，以產生50 kHz方波，該方波信號作為計數器1時鐘，計數器1計數值為頻率值，產生1～500 Hz頻率可調方波，計數器0工作在方式1，計數值為脈寬值，計數器1輸出的1～500 Hz信號作為門控，實現1～500 Hz，1～200μs的連續輸出。8254外圍電路如圖4所示。
1．3 鍵盤、顯示與數據掉電保存模塊
電致生物效應源的操作界面由1×5鍵盤和65536真彩色圖形智能液晶顯示器件組成。5個按鍵直接用單片機的IO口掃描獲得鍵值。液晶器件內置了32位ARM處理器和RS232串口，這樣可以與任何具有串口功能的MPU方便連接，適合產品的快速開發。
掉電數據保存芯片除了保存用戶參數外，也用于程序的中間變量存儲。EEPROM芯片是常用的低成本掉電數據保存芯片，但其存取速度太慢，會占用MPU過多時間，降低RTOS的實時性，因而系統采用自帶鋰電池與電池管理功能的NVRAM芯片DS1220，其每次數據存取時間為50 μs。
2 軟件設計
Small RTOS51是專為51單片機開發的占先式嵌入式內核，提供消息隊列、信號量、中斷管理等基本服務，功能滿足大多數工程項目應用。基于RTOS的程序設計可以保證電致生物效應高壓脈沖源輸出的穩定性。
2．1 程序架構設計
電致生物效應高壓脈沖源控制系統程序共分4個任務。優先級從高到低依次為：鍵盤處理任務、初級開關電源狀態監測與顯示任務、與液晶顯示器件通信任務、系統運行與系統狀態顯示任務。任務與RTOS內核、中斷關系如圖5所示。
2．2 軟件濾波算法
以高頻開關電源為初級能源的高壓脈沖電源的輸出采樣信號將不可避免地出現各種高頻隨機干擾信號，即使以低通濾波電路進行處理后，該采樣信號仍然存在許多毛刺，如圖6所示。
因此，必須采用軟件濾波才能得到準確的采樣信號。在高頻隨機干擾嚴重的情況下常用的是中位值濾波算法，但該算法的缺點是靈敏度較差。因此，本文提出了一種改進的中位值平均濾波算法。其基本原理是：每組采樣N個數據，對N個數據排序后去除最大的兩個值和最小的兩個值，對剩余的(N-4)個值求平均，該平均值作為最終的采樣結果。在本文中，N=10。按照該算法，對上圖信號進行采樣，采樣值最大為4．01 V，最小為3．99 V，抖動極差±0．01 V，并以3次最小二乘法進行數值模擬，如圖7所示。可見，該算法可有效濾出高頻隨機干擾信號，并具有較高的靈敏度。
3 結論
大多數基于高頻開關電源為初級能源的高壓脈沖源輸出精度及穩定性達不到生物效應實驗要求。實現高精度和穩定性的核心在于控制系統的設計，抗干擾能力強且具備較高靈敏度的采樣算法是解決問題的關鍵。本文基于RTOS進行程序設計，并提出了一種改進的采樣信號濾波算法，與傳統中位值濾波算法相比，使電源輸出脈沖精度和系統的可靠性得到提高。實測表明在長時間連續工作時輸出精度保持為0．1％，能可靠用于生物效應實驗。