應用C8051F350的冷陰極熒光觀(guān)片儀調光系統設計

引 言

跨入21世紀以來(lái)，信息的世界變換迅速，說(shuō)不定今天出了某高科技產(chǎn)品明天就會(huì )有更優(yōu)秀的同類(lèi)產(chǎn)品面世。其中電子計算機科學(xué)技術(shù)更新周期大概就是2到3年。隨著(zhù)電子計算機等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫療設備的現代化、智能化研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注，大量的科學(xué)家及工程技術(shù)人員都積極地投入到這一場(chǎng)醫療設備的革命中，其中，對各種類(lèi)型射線(xiàn)底片觀(guān)片設備的研究也是醫療設備開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。由于傳統的觀(guān)片設備亮度低、均勻性差、容易引起視疲勞等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代化醫學(xué)診斷的要求。利用CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp）開(kāi)發(fā)的觀(guān)片儀具有結構簡(jiǎn)單、燈管表面溫升小、燈管表面亮度高、使用壽命長(cháng)、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點(diǎn)。醫療設備至關(guān)重要。擁有好的醫療設備，有些不能做的手術(shù)就能做了，能做的手術(shù)其成功概率也會(huì )大大提升。

本文我們介紹的是一種以C8051F350單片機作為主控芯片的全自動(dòng)CCFL觀(guān)片儀亮度調節系統。當環(huán)境光強發(fā)生變化后，該系統能夠使觀(guān)片儀的背景照明光強與環(huán)境光強比值保持最佳，觀(guān)測者看到的射線(xiàn)底片內容最為清晰而且不容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。觀(guān)片儀亮度與環(huán)境光強的比值最初可由觀(guān)測者根據自己的具體情況設定。該系統還可以實(shí)現觀(guān)片儀的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，插入射線(xiàn)底片后自動(dòng)點(diǎn)亮觀(guān)片儀，當系統閑置時(shí)，觀(guān)片儀會(huì )自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)入省電模式，延長(cháng)了冷陰極（是指無(wú)需把陰極加熱，而是利用電場(chǎng)的作用來(lái)控制界面的勢能變化，使陰極內的電子把勢能轉換為動(dòng)能而向外發(fā)射。）燈管的使用壽命。與傳統的相比有很大的優(yōu)勢。既保證了醫生觀(guān)片的準確，也保證了醫生本身的視覺(jué)疲勞問(wèn)題。畢竟醫療方面的事情不容忽視，醫生的診斷結果關(guān)乎著(zhù)許多人的生活，一點(diǎn)點(diǎn)的錯誤會(huì )帶給1個(gè)甚至幾個(gè)家庭帶來(lái)悲劇。

1 CCFL觀(guān)片儀調光原理

利用CCFL開(kāi)發(fā)的觀(guān)片儀是一種由冷陰極高頻光源通過(guò)液晶背光技術(shù)（LCD）產(chǎn)生大面積的高亮度、均勻性好、噪聲低的環(huán)保節能設備。采用CCFL背光照明技術(shù)，將線(xiàn)光源轉變?yōu)榱炼染鶆虻拿婀庠?。CCFL發(fā)光強度由DC／AC逆變器控制，通過(guò)改變逆變器控制電壓從而改變CCFL的發(fā)光強度。為實(shí)現環(huán)境光強變化后觀(guān)片儀能夠自動(dòng)調節到最佳觀(guān)測亮度，利用光電傳感器動(dòng)態(tài)采集環(huán)境光強，由C8051F350對信號進(jìn)行A／D化，根據一定的算法處理后輸出CCFL控制的電壓，達到自動(dòng)調光的目的。使醫療設備在工作時(shí)給出最適合當時(shí)環(huán)境的光且光的強度穩定。

2 C8051F35簡(jiǎn)介

C8051F350是一款完全集成了單片復合信號系統的微控制器。C8051F350集成了24位8通道ADC和8位2通道DAC。C8051F350結合了高度精密的模擬數據轉換器和一個(gè)高吞吐量8051 CPU，是模擬和計算密集型應用的理想選擇。

C8051F350單片機主要特性：

（1）高速流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核，最高50MIPS執行速度；

（2）全速非侵入式的系統調試接口（片內，C2接口）；

（3）24位1ksps的8通道單端/差分ADC，帶模擬多路器；

（4）2路8位電流型DAC；

（5）高精度可編程的24.5MHz內部震蕩器；

（6）8KB字節可在系統編程的FLASH存儲器；

（7）768（512+256）字節的片內RAM；

（8）硬件實(shí)現的SPI，SMBus/IIC和UART串行接口；

（9）4個(gè)通用的16位定時(shí)器；

（10）具有3個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時(shí)器陣列；

（11）片內上電復位，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)電壓比較器，VDD監視器和溫度傳感器；

（12）17個(gè)I/O端口；

（13）-40~85度工業(yè)級溫度范圍；

（14）2.7V~3.6V工作電壓，LQFP32封裝；　

3 硬件設計

觀(guān)片儀控制系統主要由自動(dòng)開(kāi)關(guān)、調光控制、通信接口三部分構成，系統框圖如圖1所示。系統以C8051F350為主控芯片，紅外對射管實(shí)現觀(guān)片儀的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。單片機通過(guò)實(shí)時(shí)采集環(huán)境光強和背景照明光強，實(shí)現觀(guān)片儀亮度的動(dòng)態(tài)調節。通信部分則采用RS 232接口方式，主要完成系統參數的設置以及固件程序的在系統升級（ISP）。

3.1 紅外對射管

觀(guān)片儀自動(dòng)開(kāi)關(guān)由紅外對射管傳感器實(shí)現。當紅外對射管之間插入射線(xiàn)底片后，紅外接收管則輸出信號，程序檢測到該信號從而打開(kāi)CCFL；當系統閑置時(shí)，觀(guān)片儀則自動(dòng)熄滅。由此可以更好地節約電能，從而達到低消耗的目的。相信與傳統的觀(guān)片儀相比會(huì )有很大的改觀(guān)。

紅外對射管選擇霍尼韋爾公司的SEP8505-002，其工作波長(cháng)為935nm，材料為GaAs（砷化鎵），發(fā)光功率為7.8mW／cm（流明），光譜寬度為80 nm，正向壓降為1.5V，輸出電流為20 mA。與其配對的紅外接收管為SDP8405—002，功率為70 mW，工作方式為三極管射極跟隨輸出方式。光電接收管的輸出飽和電流為0.4 mA，CE極的飽和電壓為0.4V，紅外檢測電路見(jiàn)圖2。

3.2 光強信號采集與調理

光電傳感器在0～50 000 lux范圍的照度下產(chǎn)生O～412 mV的電壓，而單片機的A／D輸入電壓范圍為O～3.3V，因此系統采用LM324對信號進(jìn)行放大調理，其放大電路見(jiàn)圖3。為實(shí)現將0～412 mV的電壓放大到O～3.3V的范圍，設計放大倍數為8，放大倍數由式（1）確定：

Av=1+R24／R23 （1）

確定R23選擇10 kΩ電阻，R24選擇80 kΩ電阻。LM324由四個(gè)獨立的運放組成，為了提高采集光強的準確度，分別用兩個(gè)光電傳感采集CCFL光強，兩個(gè)采集環(huán)境光強，對這四路分別放大后直接輸入到C8051F350的高精度AD轉換通道0～3進(jìn)行A／D化處理。

3.3 主控部分

主控芯片采用了美國Silicon Laboratories公司的混合信號ISP FLAsH微控制器C8051F350，其內部有一個(gè)全差分24位高精度Sigma-Delta模／數轉換器（ADC），該ADC具有片內校準功能，保證了觀(guān)片儀亮度的高精度動(dòng)態(tài)調節。為實(shí)現其系統的穩定性和可靠性，采用模擬和數字分開(kāi)供電，減少了數字信號和模擬信號之間的干擾。C8051F350主要控制觀(guān)片儀的自動(dòng)開(kāi)關(guān)、光信號的A／D轉換與處理、控制信號的輸出、RS 232串口通信。

3.4 控制信號放大

C8051F350內部有兩個(gè)8位電流方式數／模轉換器（IDAC），本系統選用IDACO，能實(shí)現O～255范圍的微調，保證了系統的精度要求。IDAC0的最大輸出電流可以有四種設置：O.25 mA，O.5 mA，1 mA和2 mA。設置IDAC0的滿(mǎn)量程輸出為0.5 mA，通過(guò)2kΩ電阻將電流轉化為電壓，電壓最大可達1V，再經(jīng)過(guò)LM358將電壓放大到0～6V后輸出，從而實(shí)現CCFL的高精度調光設計，如圖4所示。

4 實(shí)驗數據及處理

本系統采用2.6×380型號的CCFL和L88亮度計，測量CCFL在O～6 V之間不同控制電壓下的亮度，實(shí)驗結果如表1所示，表中亮度為多次測量的平均值。為實(shí)現精確連續流暢的調光，避免傳統查表方式存在的精確度差占用存儲空間多的缺點(diǎn)，這里采用公式法計算輸出控制電壓。根據表1，利用最小二乘法求解方程ATAC=ATy，由Matlab數學(xué)軟件擬合出CCFL控制電壓與亮度的關(guān)系的表達式為：

U=-10.995 8+3.586 1B-0.233 6B2+O.004 3B3 （2）

式中：U為控制電壓值，B為對應的亮度值

5 軟件設計

在軟件設計方面主要包括上位機軟件和下位機程序。上位機軟件主要實(shí)現下位機最佳對比度等必要參數的設置，采用Visual C++6.0編寫(xiě)。下位機固化程序主要包括觀(guān)片儀自動(dòng)開(kāi)關(guān)模塊程序、CCFL發(fā)光電壓控制模塊程序、RS 232通信模塊。采用模塊化設計方式，所有模塊采用中斷驅動(dòng)方式，提高了系統的效率。

下位機程序主要配合硬件實(shí)現動(dòng)態(tài)調光控制。調光控制程序實(shí)現動(dòng)態(tài)調節CCFL光強，按照傳統的方式是將電壓與對應的亮度關(guān)系對照表下載到下位機中，調光時(shí)通過(guò)查表找出最接近的值。本系統調光根據控制電壓和亮度的函數關(guān)系通過(guò)計算獲得控制電壓，節省了下位機的存儲空間，同時(shí)提高了調光的速度并保證了CCFL發(fā)光強度變化的連續性。調光控制的具體實(shí)現由C8051F350自帶A／D對當前采集的背景照明光強和環(huán)境光強進(jìn)行模數轉化，背景照明和環(huán)境光強的比值與設定置值進(jìn)行比較，如果大于設定值則說(shuō)明環(huán)境光變暗，此時(shí)需要將CCFL調暗到一定亮度，如果小于設定值則說(shuō)明環(huán)境光變強，則需要提高CCFL的發(fā)光強度。CCFL的控制電壓可由式（2）計算得出，C8051F350將控制信號輸出調節觀(guān)片儀背景照明光強。

6 結 語(yǔ)

本文提出一種基于單片機C8051F350的冷陰極熒光燈（CCFL）觀(guān)片儀的全自動(dòng)調光系統，當環(huán)境光強發(fā)生變化后自動(dòng)調節觀(guān)片儀背景照明光源的亮度，使觀(guān)片儀亮度與環(huán)境光強比值達到最佳，系統閑置時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入節能狀態(tài)，大大提高了觀(guān)片儀的使用壽命。由實(shí)驗可驗證控制系統能夠實(shí)現觀(guān)片儀的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，同時(shí)能有效地保證當環(huán)境光強發(fā)生變化后觀(guān)片儀亮度自動(dòng)調節，并使得背景照明光強與環(huán)境光強的比值達到最佳。實(shí)驗表明該系統很好地實(shí)現了觀(guān)片儀亮度動(dòng)態(tài)調節，具有功耗低、穩定性好等特點(diǎn)。