基于AVR單片機(jī)的核磁共振儀床體檢測(cè)系統(tǒng)

1 引言

近年來隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，核磁共振儀已經(jīng)在大中型醫(yī)院中被廣泛的應(yīng)用。目前，在核磁共振儀的生產(chǎn)過程中，床體部分要與磁體一起搬入電磁屏蔽室組裝后才能進(jìn)行檢測(cè)，這對(duì)人員和物資都是很大的浪費(fèi)。針對(duì)這種狀況，本文設(shè)計(jì)出了一套核磁共振儀床體部分的運(yùn)動(dòng)控制與檢測(cè)系統(tǒng)，它能夠?qū)Υ搀w部分獨(dú)立進(jìn)行檢測(cè)，而不必將全部系統(tǒng)在屏蔽室安裝后檢測(cè)，從而降低了核磁共振儀床體部分的生產(chǎn)和檢測(cè)成本，縮短了生產(chǎn)周期。

本設(shè)計(jì)以通用醫(yī)療集團(tuán)的Ovation5型核磁共振儀的床體為對(duì)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)床體做橫向運(yùn)動(dòng)的直流步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)床體做縱向運(yùn)動(dòng)的直流伺服電機(jī)的精確控制問題進(jìn)行較為深入的分析和研究。系統(tǒng)主要采用了ATMEL公司的Atmega128單片機(jī)和ALTRA公司的EPM240T100型CPLD芯片作為主控制部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)床體縱向和橫向運(yùn)動(dòng)的精確控制和檢測(cè)。主控電路采用了全數(shù)字控制方式和抗干擾設(shè)計(jì)，具有很高的抗干擾性能。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本檢測(cè)系統(tǒng)主要由主控制板、顯示部分、按鍵開關(guān)、傳感器、串行通信和電機(jī)控制部分構(gòu)成。床體的運(yùn)動(dòng)分為橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)，分別由直流步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出，電機(jī)的邏輯控制由主控制板實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)經(jīng)過初始化之后，當(dāng)開關(guān)或按鍵發(fā)出通斷信號(hào)給主控制板時(shí)，由單片機(jī)判斷床體當(dāng)前的狀態(tài)，如果床體沒有處于極限位置，則單片機(jī)向相應(yīng)的電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)床體向相應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)，否則床體停止運(yùn)動(dòng)。橫向運(yùn)動(dòng)采用開環(huán)控制，運(yùn)動(dòng)位置由單片機(jī)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)決定?？v向運(yùn)動(dòng)采用閉環(huán)控制，由連接在直流伺服電機(jī)上的編碼器反饋位置信號(hào)給主控制板。

2．2 主控制板硬件設(shè)計(jì)

主控制板主要由AVR單片機(jī)、CPLD、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路和串口通信電路等構(gòu)成。AVR單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)控制功能，CPLD主要實(shí)現(xiàn)I/O口擴(kuò)展、邏輯判斷和對(duì)輸入、輸出信號(hào)的編碼解碼功能。

本系統(tǒng)采用的AVR Atmega128單片機(jī)是一種高性能、低功耗的8位微處理器，采用先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)，133 條指令大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，滿足了本系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行速度的要求。它具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash。由于本系統(tǒng)在對(duì)縱向距離的增減，橫向距離的增減，鍵盤掃描等程序設(shè)計(jì)均需要使用定時(shí)器。而此單片機(jī)分別提供了兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，以及兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器。它具有兩路8 位PWM和6路分辨率可編程（2 到16 位）的PWM輸出比較調(diào)制器。它具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，能夠有效防止程序跑飛。

圖2 主控制板硬件框圖

主控制板硬件框圖如圖2所示，系統(tǒng)初始化后，當(dāng)有運(yùn)動(dòng)按鍵信號(hào)輸入單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)將輸出相應(yīng)的縱向或橫向控制信號(hào)。單片機(jī)接收經(jīng)過濾波后的縱向電機(jī)編碼器的信號(hào)，由內(nèi)部程序計(jì)算當(dāng)前的橫向和縱向位置，并將當(dāng)前的位置信息輸出到CPLD，由CPLD驅(qū)動(dòng)顯示部分，顯示當(dāng)前的橫向和縱向位置。在壽命測(cè)試模式下，縱向顯示部分也同時(shí)可以顯示壽命測(cè)試計(jì)數(shù)。本系統(tǒng)具有串行通信功能，能夠通過串行接口與PC機(jī)或其他設(shè)備通信。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主控制板首先接收來自用戶的操作信號(hào)，然后根據(jù)這些信號(hào)的狀態(tài)，通過AVR單片機(jī)和CPLD內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制和顯示功能。在本檢測(cè)系統(tǒng)中，由于需要控制和顯示的信息很多，并且關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，因此需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的編程才能實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。對(duì)本系統(tǒng)而言，AVR單片機(jī)固化程序的質(zhì)量，直接影響到了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和控制精度，因此AVR單片機(jī)固化程序的編程技術(shù)就成為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，這同時(shí)也是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。通過分析床體的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套床體運(yùn)動(dòng)測(cè)試程序，使得測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)Υ搀w實(shí)際運(yùn)行中所有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)壽命進(jìn)行測(cè)試。

3．1 電機(jī)控制策略

本系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用了開環(huán)控制，對(duì)直流伺服電機(jī)采用了閉環(huán)控制。

3.1.1 步進(jìn)電機(jī)的控制

直流步進(jìn)電機(jī)由主控制板發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)給直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位置由主控制板發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)決定。單片機(jī)是通過控制向驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖的數(shù)量，經(jīng)過計(jì)算后判斷當(dāng)前床體橫向位置。橫向位置通過數(shù)碼管顯示在用戶界面上。由于步進(jìn)電機(jī)具有誤差不累積的特性，所以通過這種開環(huán)的控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。

3．1．2 伺服電機(jī)的控制

直流伺服電機(jī)是由單片機(jī)發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。通過接在電機(jī)上的編碼器的反饋信號(hào)和前后極限位置傳感器判斷床體當(dāng)前的縱向位置，實(shí)現(xiàn)了直流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制?？刂齐姍C(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起/停、正/反轉(zhuǎn)和加/減速功能，從而實(shí)現(xiàn)床體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和指定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由主控制板發(fā)出控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)動(dòng)作，配以脈沖發(fā)生器（編碼器）測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)角，經(jīng)濾波后反饋給單片機(jī)，從而構(gòu)成了電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流伺服電機(jī)的精確控制。

3．2 AVR單片機(jī)固化程序

AVR單片機(jī)固化程序采用ICC語言編寫，并使用模塊化的設(shè)計(jì)方法，分為主程序、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、橫向運(yùn)動(dòng)測(cè)試模塊、縱向運(yùn)動(dòng)測(cè)試模塊和壽命測(cè)試模塊。模塊化設(shè)計(jì)使軟件更加靈活，便于調(diào)用和移植，并且在錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)候，可以很快的找到錯(cuò)誤，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3．2．1 主程序

主程序要完成系統(tǒng)的初始化，中斷設(shè)置，全局變量設(shè)置和看門狗設(shè)置等。在初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入主查詢循環(huán)過程，判斷當(dāng)前進(jìn)行的操作，并進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。系統(tǒng)程序中采用了狀態(tài)位的方式，實(shí)現(xiàn)主程序和各個(gè)功能模塊，以及各個(gè)功能模塊之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的通信，保證了在各個(gè)功能模塊之間切換時(shí)，系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 鍵盤掃描模塊程序流程圖

3．2．2 鍵盤掃描模塊

由于對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高，所以鍵盤掃描采用了查詢的方式。鍵盤掃描模塊程序流程圖如圖4所示，縱向運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先級(jí)大于橫向運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)縱向按鍵和橫向按鍵同時(shí)按下時(shí)，床體將會(huì)縱向運(yùn)動(dòng)，橫向運(yùn)動(dòng)按鍵被屏蔽。

3．2．3 壽命測(cè)試模塊

壽命測(cè)試部分是本系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，涉及變量最多的一個(gè)功能模塊，并且同時(shí)存在系統(tǒng)狀態(tài)位和壽命測(cè)試狀態(tài)位變量，所以各個(gè)功能模塊之間的狀態(tài)通信也比其他功能模塊復(fù)雜。在這個(gè)模塊中，主要實(shí)現(xiàn)了床體自動(dòng)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的功能，并且能夠?qū)Ω鞣N預(yù)先設(shè)定的循環(huán)運(yùn)動(dòng)計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)床體的壽命測(cè)試。

圖5 壽命測(cè)試模塊

3．3 CPLD固化程序

CPLD固化程序采用VHDL語言編寫。主要功能為：

① 驅(qū)動(dòng)“縱向位置”數(shù)碼管顯示當(dāng)前縱向位置或壽命測(cè)試計(jì)數(shù)；

② 對(duì)極限位置傳感器的差分信號(hào)解碼后，輸出給MCU；

③ 接收橫向位置信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)“橫向位置”數(shù)碼管，顯示橫向位置；

④ 驅(qū)動(dòng)極限位置指示LED；

4 結(jié)論

通過在核磁共振儀的床體上進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用，證明本系統(tǒng)能夠完全實(shí)現(xiàn)對(duì)床體的控制功能，并且滿足對(duì)床體各種測(cè)試的要求，具有較高的穩(wěn)定可靠性。本系統(tǒng)能夠獨(dú)立對(duì)核磁共振儀的床體進(jìn)行檢測(cè)，大大降低了生產(chǎn)成本，縮短了生沒產(chǎn)周期，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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