近年來發(fā)達國家對具有軟殺傷性的非致命武器(nonlethai weapons)表現(xiàn)出日益濃厚的興趣，其中高壓脈沖使生物失能效應(yīng)研究是發(fā)展該類武器的重要課題。電致生物效應(yīng)高壓脈沖源是關(guān)鍵裝置。為了研究不同脈沖參數(shù)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(nèi)可調(diào)，因此高壓脈沖源基于全固態(tài)剛管調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)并由直流高壓電源、串聯(lián)IGBT調(diào)制開關(guān)和控制系統(tǒng)三部分組成。基于8051微控制器的高壓脈沖源控制系統(tǒng)具有設(shè)計簡單，電路可靠的優(yōu)點。但其程序設(shè)計一般為前后臺系統(tǒng)，實時性較差，從而使輸出脈沖波形穩(wěn)定性不能滿足實驗要求。本文基于嵌入式實時操作系統(tǒng)Small RTOS51進行程序設(shè)計，以及優(yōu)化的采樣信號濾波算法，使該高壓脈沖源輸出電壓精度穩(wěn)定達到0．1％。從而能可靠地用于生物效應(yīng)實驗。
1 硬件設(shè)計
電致生物效應(yīng)高壓脈沖源要求產(chǎn)生500～5 000 V寬范圍的脈沖高壓輸出，控制系統(tǒng)管理高壓脈沖源所有組件的工作，是實現(xiàn)高可靠性的核心。控制系統(tǒng)的主要功能是：不斷掃描鍵盤獲取電源工作參數(shù)／命令，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)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(guān)電源狀態(tài)，用以實時計算電源輸出功率，以保護實現(xiàn)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(tài)。高壓脈沖源原理如圖1所示。
控制系統(tǒng)的硬件主要由控制核心、脈寬調(diào)制模塊、電壓控制與采樣模塊、鍵盤和顯示模塊、掉電數(shù)據(jù)保存模塊組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)不斷采樣輸出電壓幅值，并與設(shè)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整初級高壓開關(guān)電源的輸出。輸出電壓采樣的準確性和初級高壓開關(guān)電源輸出控制精度是實現(xiàn)高壓脈沖精確穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵。基于MAX526和MAX197可實現(xiàn)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(guān)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(shù)字電壓源串聯(lián)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(diào)制模塊
電致生物效應(yīng)源需要頻率1～500 Hz，脈寬1～200 μs連續(xù)可調(diào)PWM信號控制高壓脈沖輸出。實現(xiàn)該PWM信號可以利用8051單片機自帶的計數(shù)器，但是考慮到程序設(shè)計基于Small RTOS51，和大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)一樣，Small RTOS51會頻繁關(guān)閉所有中斷以保護系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼執(zhí)行，這會造成基于軟件生成的PWM信號精度較低，因此，本設(shè)計采用8254級聯(lián)方式實現(xiàn)該PWM信號。
8254有3個獨立的16位減法計數(shù)通道，使用單-5 V電源，最大計數(shù)頻率10 MHz，使用級聯(lián)方式可使計數(shù)器0、2使用同一個1 MHz外部晶振，計數(shù)器2工作方式3，計數(shù)值固定為20，以產(chǎn)生50 kHz方波，該方波信號作為計數(shù)器1時鐘，計數(shù)器1計數(shù)值為頻率值，產(chǎn)生1～500 Hz頻率可調(diào)方波，計數(shù)器0工作在方式1，計數(shù)值為脈寬值，計數(shù)器1輸出的1～500 Hz信號作為門控，實現(xiàn)1～500 Hz，1～200μs的連續(xù)輸出。8254外圍電路如圖4所示。
1．3 鍵盤、顯示與數(shù)據(jù)掉電保存模塊
電致生物效應(yīng)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(nèi)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(chǎn)品的快速開發(fā)。
掉電數(shù)據(jù)保存芯片除了保存用戶參數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)采用自帶鋰電池與電池管理功能的NVRAM芯片DS1220，其每次數(shù)據(jù)存取時間為50 μs。
2 軟件設(shè)計
Small RTOS51是專為51單片機開發(fā)的占先式嵌入式內(nèi)核，提供消息隊列、信號量、中斷管理等基本服務(wù)，功能滿足大多數(shù)工程項目應(yīng)用。基于RTOS的程序設(shè)計可以保證電致生物效應(yīng)高壓脈沖源輸出的穩(wěn)定性。
2．1 程序架構(gòu)設(shè)計
電致生物效應(yīng)高壓脈沖源控制系統(tǒng)程序共分4個任務(wù)。優(yōu)先級從高到低依次為：鍵盤處理任務(wù)、初級開關(guān)電源狀態(tài)監(jiān)測與顯示任務(wù)、與液晶顯示器件通信任務(wù)、系統(tǒng)運行與系統(tǒng)狀態(tài)顯示任務(wù)。任務(wù)與RTOS內(nèi)核、中斷關(guān)系如圖5所示。
2．2 軟件濾波算法
以高頻開關(guān)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(xiàn)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(shù)據(jù)，對N個數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)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(jié)論
大多數(shù)基于高頻開關(guān)電源為初級能源的高壓脈沖源輸出精度及穩(wěn)定性達不到生物效應(yīng)實驗要求。實現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性的核心在于控制系統(tǒng)的設(shè)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(guān)鍵。本文基于RTOS進行程序設(shè)計，并提出了一種改進的采樣信號濾波算法，與傳統(tǒng)中位值濾波算法相比，使電源輸出脈沖精度和系統(tǒng)的可靠性得到提高。實測表明在長時間連續(xù)工作時輸出精度保持為0．1％，能可靠用于生物效應(yīng)實驗。