基于LM3402的新型LED无影灯控制系统设计

　　驱动板是整个无影灯控制器的核心， 主要由一个MCU P89LPC932 和18 路LM2402 恒流稳压电路组成，还包含RS485 通信电路。

　　P89LPC932 是由飞利浦公司生产的低功耗的MCU，电源电压3.3 V， 可低功耗运行， 适合于许多要求高集成度、低成本的场合， 可以满足多方面的性能要求。

　　P89LPC932 采用了高性能的处理器结构， 指令执行时间只需2~4 个时钟周期，6 倍于标准80C51 器件。此外，P89LPC932 还集成了许多系统级的功能， 这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本， 内部有2个定时器， 可作为一个具有256 个定时器时钟周期的PWM 发生器使用。

　　LM3402 是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器， 可驱动串联的大功率、高亮度发光二极管串， 可以接受范围在6 V~42 V 的输入电压。当使用引脚兼容的LM3402HV 时， 输入电压的上限可达到75 V。根据手术对照度的需要， 对转换器的输出电压进行调节， 可以维持通过LED 阵列的恒定电流水平。图2 为LM3402 的典型应用电路示意图， 其中RSNS为电流设定电阻， 平均电流IF≈0.2/RSNS，RON取值与发光二极管串中的LED 数量有关，8 个LED 时可取值300 kΩ。经检测， 恒流标称值为250 mA 时(RSNS=0.8 Ω)， 电流波动在±20 mA 以内， 完全能够满足手术光感要求。[page]

图2 LM3402 的典型应用电路。

　　1.4 安全措施

　　考虑到医用仪器安全要求的特殊性， 系统的每一个环节都应该考虑采取相应安全措施。首先， 手术室是一个具有强电磁干扰的环境， 防止MCU 死机十分重要， 因此必须采取如下措施：(1) 必须认真处理硬件复位电路设计和内部复位程序；(2) 必须排除错误干扰信号， 所以整个系统采用了完全电气隔离， 以阻止电路各部分的相互影响。此外还采用了Modbus 冗余校验法； (3) 高亮度白色LED 的价格较高， 为避免损坏， 必须排除电网和电源损坏对系统的影响， 故本文采用了过压和过流自动保护电路， 当电压或电流超过设定值的20%时， 系统自动切断电源， 以保证系统电路和高亮度LED 的安全。

2 程序设计

　　2.1 程序结构

　　程序主要包含面板控制器和驱动板两个独立程序。

　　面板控制器程序根据4 个按钮的输入状态， 向驱动板发送开关或照度调节命令， 并将命令状态在8 个LED 上显示出来。驱动板程序初始化以后， 主要通过串行口接收中断接收操作信息， 进行Modbus 数据冗余校验后， 根据命令指示， 发出不同的PWM 信号。驱动板程序流程框图如图3 所示。

图3 驱动板的程序结构框图。

　　2.2 PWM 发生

　　高亮度发光二极管串的电流主要通过对LM3402 的DIM 端口进行PWM 调节，实际电流占设定电流值的比例取决于PWM 的占空比(duty cycle)。P89LPC932 内部定时器T0/T1 的PWM 输出与计数输入和定时器触发输出占用相同的管脚， 发生定时器溢出时自动触发端口输出。

　　此功能通过AUXR1 寄存器中的控制位ENT0 和ENT1分别使能定时器0 和1。该模式打开时， 在首次定时器溢出前端口的输出为逻辑1。为了使该模式生效， 必须清零C/T 位以选择PCLK 作为定时器的时钟源。定时器初始化设置参考程序如下：

　　void Timer1_init(void)

　　{

　　TMOD|=0x20 ； //定时器工作于方式6

　　*OD|=0x10 ；

　　TH1=256-n ； //n 为占空比

　　AUXR1|=0x20 ； // 定时器使能

　　TR1=1 ； // 启动定时器

　　}

　　其中占空比duty cycle=256-TH1， 定时器1 的溢出将使P1.2 或P0.7 端口发生翻转， 因此输出频率为定时器1溢出速率的1/2。

　　2.3 节能模式

　　能耗控制在整个无影灯控制系统中具有十分重要的意义。在多数时间，HBLEDs 处于熄灭状态， 控制系统处于待机状态， 将功耗降低到最低。将电源控制寄存器PCONA 设置为0xFF 时， 外部功能模块掉电； 将电源控制寄存器PCON 设置为03H 时， 可将MCU 处于完全掉电状态， 只有在中断触发的时候， 才能唤醒， 随即给外部功能模块上电，MCU 开始工作。驱动板上的MCU 由串行口接收中断唤醒， 面板上的MCU 通过键盘中断唤醒， 键盘中断参考程序如下：

　　void KEY_ISR( ) interrupt 7

　　{

　　key_push=1 ； // 有键按下标志

　　PCONA=0x00 ； //外部功能模块上电

　　KBCON=0x00 ； //清除键盘中断标志

　　}

　　中国每年无影灯的市场需求量在2 万台以上， 同时因低碳经济发展的需求， 需要进行节能改造， 所以LED无影灯的市场推广前景十分广阔。本文所介绍的LED无影灯技术， 目前已经在江苏某知名医疗器械公司投入批量生产， 取得了良好的社会效益。