FPGA在洗片機控制系統中的應用

 　　洗片機作為一種用于X射線(xiàn)透射膠片和CT膠片的顯影、定影、清洗和烘干的儀器，在當今各行業(yè)都有著(zhù)廣泛的應用。傳統的洗片機由于自動(dòng)化程度不高，所以對操作人員有嚴格的技術(shù)要求，藥液日積月累也會(huì )對人體造成一定的傷害，并且社會(huì )的發(fā)展也對洗片機的精度提出了越來(lái)越高的要求，所以新型的高自動(dòng)化，高精度的洗片機日益成為研究的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹了FPGA在這樣一種新型洗片機控制系統中的應用。

　　洗片機工作原理及實(shí)現方案

　　洗片過(guò)程主要由顯影、定影、沖洗和烘干四部分組成。膠片先后經(jīng)由滾軸傳送至顯影及定影箱的藥液中，然后再經(jīng)過(guò)沖洗槽由清水沖洗，最后烘干，整個(gè)洗片即完成。四個(gè)過(guò)程對顯影、定影溫度，膠片傳送速度均有嚴格的要求。

　　該控制系統主要由FPGA、A/D轉換器，溫度傳感器，光電耦合器，PWM控制器等器件組成。系統上電以后，由PWM控制器來(lái)控制電機的轉動(dòng)速度。電機轉軸上的碼盤(pán)帶有圓孔，兩端裝有光電耦合器。電機轉動(dòng)以后，光電耦合器兩端就會(huì )生成一正弦波信號，信號經(jīng)過(guò)施密特反向觸發(fā)器后變?yōu)橐环讲?，振幅與正弦波相反。同時(shí)，溫度傳感器測量顯影箱與定影箱的實(shí)際溫度，經(jīng)過(guò)A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號。然后系統將電機轉動(dòng)的速度信號、顯影、定影的實(shí)際溫度信號和撥碼盤(pán)上的設定溫度信號經(jīng)過(guò)5v到3.3v的轉化后傳送到FPGA進(jìn)行處理，從而生成系統需要的控制信號。本文重點(diǎn)介紹了FPGA在本系統中的應用。系統的結構如圖1所示。

　　3 FPGA在系統中的應用

　　3.1 FPGA的性能及特點(diǎn)

　　FPGA即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是在CPLD的基礎上發(fā)展起來(lái)的新型高性能可編程邏輯器件。它一般采用SRAM工藝，也有一些專(zhuān)用器件采用FLASH工藝或反熔絲(Anti-Fuse)工藝等。FPGA集成度很高，其器件密度從數萬(wàn)系統門(mén)到數千萬(wàn)系統門(mén)不等，可以完成極其復雜的時(shí)序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領(lǐng)域。FPGA的基本組成部分有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線(xiàn)資源、底層嵌入功能單元、內嵌專(zhuān)用硬核等。FPGA還支持多種單端I/O標準接口、系統所需的PCI標準接口、數據速率高達640Mbps的LVDS標準接口等，甚至一些高端產(chǎn)品可以通過(guò)DDR寄存器技術(shù)支持高達2Gbit/s的數據速率。該器件還可以支持使用低價(jià)位的串行配置器件來(lái)對該系列器件進(jìn)行配置;器件內部含有鎖相環(huán)(PLL)，可以用做時(shí)鐘的倍頻、分頻以及移相等操作;內部每個(gè)邏輯陣列塊(LAB)可與多個(gè)全局時(shí)鐘，用于系統的多時(shí)鐘驅動(dòng)。FPGA的主要器件供應商有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Atmel等。

　　3.2FPGA的內部模塊設計

　　FPGA內部包含實(shí)際溫度的讀取、設定溫度的讀取、實(shí)際溫度的換算、實(shí)際溫度與設定溫度的比較及加溫控制、速度的測量、定時(shí)、十進(jìn)制碼與LED顯示碼的轉換、串行口顯示等模塊。其內部結構原理圖如圖2所示。

　　3.2.1 速度測量

　　速度測量功能由一個(gè)脈沖計數器模塊和一個(gè)定時(shí)器模塊實(shí)現。若電機轉速為r轉/分鐘，電機齒輪直徑A,與電機齒輪相連的傳動(dòng)齒輪直徑為B，傳送膠片的滾軸直徑C,電機轉動(dòng)時(shí)間為t，碼盤(pán)圓孔個(gè)數n，則膠片的傳動(dòng)速度為v= πrABC/n。在本系統中，2.7毫秒內測的的3位十進(jìn)制數即為個(gè)位加兩小數位的膠片速度。例如，2.7毫秒內測得脈沖個(gè)數為135，則膠片的行進(jìn)速度為1.35米/分鐘。

　　3.2.2 溫度測量與控制

　　溫度的測量與控制包含顯影、定影兩路溫度，當A/D轉換器MC14433轉換周期完成以后，MC14433向FPGA發(fā)出一高電平脈沖信號。FPGA接收到此信號以后由溫度切換模塊進(jìn)行顯影、定影溫度的切換;同時(shí)設定溫度讀取模塊開(kāi)啟撥碼盤(pán)的移位掃描并讀取設定溫度值，而實(shí)際溫度初值讀取模塊開(kāi)始讀取上一轉換周期的模數轉換初值，得到一個(gè)四位的十進(jìn)制數。模數轉換初值再經(jīng)過(guò)一除法運算模塊即得到最終實(shí)際溫度值。(除數與MC14433的基準電壓相關(guān)，若MC14433基準電壓為xV，則除數n=2/x，本系統中基準電壓為0.5V，n=4。)然后由溫度比較與加溫控制模塊將設定溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較，若實(shí)際溫度小于設定溫度，則選擇此路溫度的加溫控制。

　　3.2.3 內碼轉換與結果顯示

　　得到速度與實(shí)際溫度的數值后，結果在內碼轉換模塊中轉化成LED字型碼，然后由顯示模塊將數據傳輸到LED面板上。顯示模塊是由一個(gè)移位寄存器構成的串行通訊口,并且生成LED顯示所需的移位時(shí)鐘。

　　3.3 FPGA設計的仿真

　　圖3是FPGA設計在Quartus中的仿真結果波形圖。其中clk是10M有源晶振產(chǎn)生的系統全局時(shí)鐘，EOC是A/D轉換器轉換周期結束信號，S_IN是用作設定溫度的撥碼盤(pán)數值，SPEED為測速脈沖，MC14433_D是A/D轉換結果的位選信號，MC14433_Q是A/D轉換的結果輸出。圖中設定溫度小于實(shí)際溫度，所以溫度控制信號顯影(HEATUPXY)、定影(HEATUPDY)處于高電平加熱狀態(tài)。最終結果在移位脈沖的作用下通過(guò)串行口輸出，即為圖中的LED_DATA。

　　3.4 采用FPGA設計的優(yōu)勢

　　(1) 超小型化系統

　　因為 FPGA的可編程特性、內部足夠的資源和布線(xiàn)空間，所以相對于傳統的“EPROM+計數器”的方法,本系統大幅度減少了硬件電路規?？?。

　　(2) 抗干擾性能強

　　所有的數據處理都在 FPGA內部完成，信號受干擾的幾率小，再加上其獨特的抗干擾設計，大大提高了系統的抗干擾能力。

　　(3)靈活性好 由于 FPGA的可編程特性，易于實(shí)現系統的擴展與升級，而且開(kāi)發(fā)周期短，易于調試。

　　4 結論

　　由于洗片機在如今的航空、醫療、工業(yè)、軍事等行業(yè)有著(zhù)廣泛的應用，所以其性能緊密關(guān)系著(zhù)市場(chǎng)的占有率。本系統采用了獨特的FPGA技術(shù)，實(shí)現了數據的高速處理。相對于傳統的洗片機控制系統，本系統大幅度提高了溫度測量與控制過(guò)程中的精度，其控制誤差已無(wú)限接近于傳感器與A/D轉換器的綜合誤差。若采用采用高精度的溫度傳感器與A/D轉換器可以實(shí)現系統溫度的微小量測量與控制。本系統采用了價(jià)格低廉的LM355Z和MC14433作為溫度傳感器與A/D轉換器，實(shí)現了0℃"50℃范圍內精度0.1℃的測量與控制。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：實(shí)現了超小型系統規模，數據的高速處理處理，支持實(shí)時(shí)顯示，抗干擾能力強，可在惡劣環(huán)境下工作。 由于采用FPGA技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，采用該系統的洗片機與市場(chǎng)上流行的洗片機相比，具有更強的競爭力。