FPGA应用技术.doc

基于FPGA的射频热疗系统的设计
小组成员：
刘欣--------------------20075401118
卢浩--------------------20075401120
刘杨--------------------20075401087
吴杰--------------------20075401153
高杰--------------------20075401025
陈曦--------------------20075401139
李景俊-----------------20075401140
孙业全-----------------20075401127
徐晓君-----------------20075401124
徐少蕾-----------------20075401623





1工程背景
热疗是利用各种物理能量（如微波、射频和超声波等）在人体组织中沉积所产生的
热效应，使组织温度上升至有效治疗温度区域（41℃以上），并维持一定时间以达到既
杀灭病变细胞又不损伤正常组织目的的一种治疗方法。
实验表明，在42℃区域，温度差1℃就可引起细胞存活率的成倍变化，因此，热
疗中的温度测量有着十分重要的意思。
常用的温度传感器，如热敏电阻等模拟类的器件，存在非线性以及参数不一致，在
更换器件时因放大器零漂问题而需对电路重新调试等问题。而对于温度场的控制方法，
多采用以CPU 或者单片机为核心的控制系统，这些以软件方式控制操作和运算的系统
速度显然无法与纯硬件系统相比且可靠性不高。
针对以上两个问题，要求采用高精度数字温度传感器DS18B20 与可编程逻辑器件
FPGA 实现温度的测量与控制。DS18B20 是由单片集成电路构成的单信号数字化温度传感器，突出优点是可以将被测温度直接转化为数字信号输出。经电桥电路获取电压模
拟量，再经信号放大和模数转换变成数字信号，避免了传统传感器互换性差等问题。尤
其在多点温度检测的场合，在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面，DS18B20
与传统温度传感器相比，有无可比拟的优越性。采用FPGA 作为控制器，由于它是以纯
硬件实现控制的，因此适应了温度场高可靠性的要求。另外，还可以使系统的器件数目
大大减少，具有设计灵活、现场可编程、调试简单和体积小等特点。

根据脑胶质瘤的生物组织特点，选用射频信号作为加热的物理能量，并采用二极板
容性加热方式。系统框图如下图所示。，经过500Hz 占空比
可调的调制信号调制后输出控制信号。FPGA 作为控制器件控制加温的全过程，设定温
度通过控制面板向FPGA 输入，DS18B20 对温度场进行温度测量，并且将实时数字测
量值送回FPGA。FPGA 将测量值与设定值进行比较，经过控制算法的处理后，确定调制
信号的占空比。控制信号经过隔离电路与驱动电路，加到工作极板上。极板间介质的加
热功率可通过调整500Hz 调制信号的占空比来控制。
设计的热疗仪的技术参数如下：
􀂾 功率电源电压56V；
􀂾 ；
􀂾 温度测量范围0~63℃，测控温精度±℃。
硬件电路主要包括FPGA 及其配置电路、电源电路、光耦隔离电路、驱动电路、控
制面板和显示单元组成，框图如下图所示。
本设计使用的FPGA 芯片是Altera 公司ACEX 1K 系列的EP1K30TC144-3，并采用
了Altera 提供的专用配置芯片EPC2对其进行数据配置；外部20MHz 的石英晶振为FPGA
提供时钟信号；ACEX 1K 电源通过电源电路获得；
控制面板由指拨开关和按钮构成，指拨开关用来控制数码管的显示，按钮用来向FPGA
输入设定温度；为避免驱动电路对控制电路的干扰，采用1MHz 的高速光耦6N137 进
行隔离，控制对象的加热功率由驱动电路中的56V 电源提供。

分频模块
library ieee;
use ;
use ;
use ;

entity div_clk_1 is
port (clk_20m:in std_logic;
clk_1m:out std_logic;
clk_