FPGA
应用技术
信息工程学院
基于
FPGA
的射频热疗系统的设计
前面的《EDA 技术》课程我们学习了硬件描述语言
VHDL
语言，并且通过一
些实例，我们基本掌握了它的特点，并且½用它来解决一些实际工程中遇到的问
题。
《FPGA 应用技术》需要用到大家学到的
VHDL
语言的知识，解决一些较复
为大家以后成为电子设计相关行业的工程技术人员打下基
杂的工程应用的问题，
础。工程化是这门选修课的主要特色，实践是学½这门课的保证。
１、 射频热疗生物学与物理学概论
热疗是利用各种物理½量（如微波、射频和超声波等）在人½组织中沉积所产生的
热效应，½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½件方式控制操½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
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传感器，突出优点是可以将被测温度直接½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½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 ½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½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½积小等特点。
２、射频热疗系统的设计
根据脑胶质瘤的生物组织特点，选用射频信号½为加热的物理½量，并采用二极板
容性加热方式。系统框图如下图所示。射频信号的频率为
0.5MHz，经过 500Hz
占空比
可调的调制信号调制后输出控制信号。FPGA ½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½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。
温度显示
FPGA
控制面板
隔离电路
驱动电路
温度测量
DS18B20
病灶
热疗系统整½框图
设计的热疗仪的技术参数如下：
功率电源电压
56V；
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热疗工½频率
0.5MHz；
温度测量范围
0~63℃，测控温精度±0.1℃。
３、系统硬件电路设计
硬件电路主要包括
FPGA
及其配½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½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½芯片
EPC2
对其进行数据配½；
外部
20MHz
的石英晶振为
FPGA
提供时钟信号；ACEX
1K
所需的
2.5V
和
3.3Ｖ电压由外部 5V
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。
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４、½用
DS18B20
进行温度测量的程序设计流程图
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５、½件实现
全部½件功½在
Quartus II
½件平台上½用混合编辑方法设计。功½框图如下图所
示。指定温度通过外部的两个按钮式按键输入，在
FPGA
内部对这两个按键进行了弹跳
消除处理，因此完全可以用来计数。指拨电平开关
Set
用来对温度设½进行控制，而
Show_set
是温度显示选择开关。系统时钟由外部
20MHz
的石英晶振提供，经过分频处
理得到
500Khz
占空比为
50%的射频信号和 500Hz
占空比在
0~40%可调的调制信号，
同时为
DS18B20
提供同步信号。指定温度和经
DS18B20
测量得到的实际温度经过处
理½换成
4
½十进制以后，通过数码管显示其数值。根据指定温度和实际温度，由控制
算法得到相应占空比的两路带死区的互补调制信号。射频信号经调制信号调制后，经过
光耦隔离电路和驱动电路，最后加到工½电容上。
如上图示，FPGA 的½件实现应包含以下模块：分频模块、温度测量模块、指定温
度设½模块、模糊控制器子模块和温度显示模块。下面分别进行介绍：
５.１、温度测量模块
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