基于AVR單片機的核磁共振儀床體運動控制與檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

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，這對人員和物資都是很大的浪費。針對這種狀況，本文設(shè)計出了一套核磁共振儀床體部分的運動控制與檢測系統(tǒng)，它能夠?qū)Υ搀w部分獨立進(jìn)行檢測，而不必將全部系統(tǒng)在屏蔽室安裝后檢測，從而降低了核磁共振儀床體部分的生產(chǎn)和檢測成本，縮短了生產(chǎn)周期。

本設(shè)計以通用醫(yī)療集團的Ovation5型核磁共振儀的床體為對象，對驅(qū)動床體做橫向運動的直流步進(jìn)電機和驅(qū)動床體做縱向運動的直流伺服電機的精確控制問題進(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單片機和ALTRA公司的EPM240T100型CPLD芯片作為主控制部分，實現(xiàn)了對床體縱向和橫向運動的精確控制和檢測。主控電路采用了全數(shù)字控制方式和抗干擾設(shè)計，具有很高的抗干擾性能。

2檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本檢測系統(tǒng)主要由主控制板、顯示部分、按鍵開關(guān)、傳感器、串行通信和電機控制部分構(gòu)成。床體的運動分為橫向運動和縱向運動兩種狀態(tài)，分別由直流步進(jìn)電機和直流伺服電機實現(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，電機的邏輯控制由主控制板實現(xiàn)。系統(tǒng)經(jīng)過初始化之后，當(dāng)開關(guān)或按鍵發(fā)出通斷信號給主控制板時，由單片機判斷床體當(dāng)前的狀態(tài)，如果床體沒有處于極限位置，則單片機向相應(yīng)的電機發(fā)出驅(qū)動信號，驅(qū)動床體向相應(yīng)的方向運動，否則床體停止運動。橫向運動采用開環(huán)控制，運動位置由單片機發(fā)出的脈沖個數(shù)決定。縱向運動采用閉環(huán)控制，由連接在直流伺服電機上的編碼器反饋位置信號給主控制板。

2．2 主控制板硬件設(shè)計

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

本系統(tǒng)采用的AVR Atmega128單片機是一種高性能、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)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，滿足了本系統(tǒng)對執(zhí)行速度的要求。它具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器，128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash。由于本系統(tǒng)在對縱向距離的增減，橫向距離的增減，鍵盤掃描等程序設(shè)計均需要使用定時器。而此單片機分別提供了兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器，以及兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(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。它具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，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)有運動按鍵信號輸入單片機時，單片機將輸出相應(yīng)的縱向或橫向控制信號。單片機接收經(jīng)過濾波后的縱向電機編碼器的信號，由內(nèi)部程序計算當(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)動顯示部分，顯示當(dāng)前的橫向和縱向位置。在壽命測試模式下，縱向顯示部分也同時可以顯示壽命測試計數(shù)。本系統(tǒng)具有串行通信功能，能夠通過串行接口與PC機或其他設(shè)備通信。

3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

主控制板首先接收來自用戶的操作信號，然后根據(jù)這些信號的狀態(tài)，通過AVR單片機和CPLD內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對電機的控制和顯示功能。在本檢測系統(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，因此需要對單片機進(jìn)行復(fù)雜的編程才能實現(xiàn)各個功能。對本系統(tǒng)而言，AVR單片機固化程序的質(zhì)量，直接影響到了整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和控制精度，因此AVR單片機固化程序的編程技術(shù)就成為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，這同時也是本系統(tǒng)的設(shè)計重點之一。通過分析床體的設(shè)計要求和實際運行情況，設(shè)計開發(fā)出一套床體運動測試程序，使得測試系統(tǒng)能夠?qū)Υ搀w實際運行中所有的運動狀態(tài)、運動精度和運動壽命進(jìn)行測試。

3．1 電機控制策略

本系統(tǒng)對步進(jìn)電機采用了開環(huán)控制，對直流伺服電機采用了閉環(huán)控制。

3.1.1 步進(jìn)電機的控制

直流步進(jìn)電機由主控制板發(fā)出脈沖驅(qū)動信號給直流步進(jìn)電機驅(qū)動器，從而驅(qū)動步進(jìn)電機動作。電機的轉(zhuǎn)動角度和位置由主控制板發(fā)出的脈沖個數(shù)決定。單片機是通過控制向驅(qū)動器輸出脈沖的數(shù)量，經(jīng)過計算后判斷當(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)電機的精確控制。