近年來發(fā)達國家對具有軟殺傷性的非致命武器(nonlethaiweapons)表現(xiàn)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(fā)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(shù)對生物體的用途．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(tài)剛管調制技術實現(xiàn)并由直流高壓電源、串聯(lián)IGBT調制開關和控制系統(tǒng)三部分組成。基于8051微控制器的高壓脈沖源控制系統(tǒng)具有設計簡單，電路可靠的優(yōu)點。但其程序設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)SmallRTOS51進行程序設計，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實驗。1硬件設計電致生物效應高壓脈沖源要求出現(xiàn)500～5000V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?？刂葡到y(tǒng)的重要功能是：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)的硬件重要由控制核心、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(shù)據(jù)保存模塊組成?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)不斷采樣輸出電壓幅值，并與設定值進行比較，根據(jù)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(xiàn)高壓脈沖精確穩(wěn)定輸出的關鍵?；贛AX526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)5Ω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要頻率1～500Hz，脈寬1～200μs持續(xù)可調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，但是考慮到程序設計基于SmallRTOS51，和大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)相同，SmallRTOS51會頻繁關閉所有中斷以保護系統(tǒng)的關鍵代碼執(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-5V電源，最大計數(shù)頻率10MHz，使用級聯(lián)方式可使計數(shù)器0、2使用同一個1MHz外部晶振，計數(shù)器2工作方式3，計數(shù)值固定為20，以出現(xiàn)50kHz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，出現(xiàn)1～500Hz頻率可調方波，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1～500Hz信號作為門控，實現(xiàn)1～500Hz，1～200μs的持續(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(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)采用自帶鋰離子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50μs。2軟件設計SmallRTOS51是專為51單片機開發(fā)的占先式嵌入式內核，供應消息隊列、信號量、中斷管理等基本服務，功能滿足大多數(shù)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(wěn)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(tǒng)程序共分4個任務。優(yōu)先級從高到低依次為：鍵盤處理任務、初級開關電源狀態(tài)監(jiān)測與顯示任務、與液晶顯示器件通信任務、系統(tǒng)運行與系統(tǒng)狀態(tài)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防止地出現(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4．01V，最小為3．99V，抖動極差±0．01V，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結論大多數(shù)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(wěn)定性達不到生物效應實驗要求。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(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。實測表明在長時間持續(xù)工作時輸出精度保持為0．1％，能可靠用于生物效應實驗。