基于A(yíng)VR單片機的核磁共振儀床體運動(dòng)控制與檢測系統的研究與設計

1引言

近年來(lái)隨著(zhù)醫學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，核磁共振儀已經(jīng)在大中型醫院中被廣泛的應用。目前，在核磁共振儀的生產(chǎn)過(guò)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，本文設計出了一套核磁共振儀床體部分的運動(dòng)控制與檢測系統，它能夠對床體部分獨立進(jìn)行檢測，而不必將全部系統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。

本設計以通用醫療集團的Ovation5型核磁共振儀的床體為對象，對驅動(dòng)床體做橫向運動(dòng)的直流步進(jìn)電機和驅動(dòng)床體做縱向運動(dòng)的直流伺服電機的精確控制問(wèn)題進(jìn)行較為深入的分析和研究。系統主要采用了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(shí)現了對床體縱向和橫向運動(dòng)的精確控制和檢測。主控電路采用了全數字控制方式和抗干擾設計，具有很高的抗干擾性能。

2檢測系統的硬件設計

2．1 系統硬件結構

本檢測系統主要由主控制板、顯示部分、按鍵開(kāi)關(guān)、傳感器、串行通信和電機控制部分構成。床體的運動(dòng)分為橫向運動(dòng)和縱向運動(dòng)兩種狀態(tài)，分別由直流步進(jìn)電機和直流伺服電機實(shí)現。本系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構示意圖

從圖1可以看出，電機的邏輯控制由主控制板實(shí)現。系統經(jīng)過(guò)初始化之后，當開(kāi)關(guān)或按鍵發(fā)出通斷信號給主控制板時(shí)，由單片機判斷床體當前的狀態(tài)，如果床體沒(méi)有處于極限位置，則單片機向相應的電機發(fā)出驅動(dòng)信號，驅動(dòng)床體向相應的方向運動(dòng)，否則床體停止運動(dòng)。橫向運動(dòng)采用開(kāi)環(huán)控制，運動(dòng)位置由單片機發(fā)出的脈沖個(gè)數決定?？v向運動(dòng)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 主控制板硬件設計

主控制板主要由AVR單片機、CPLD、濾波電路、電平轉換電路和串口通信電路等構成。AVR單片機主要實(shí)現控制功能，CPLD主要實(shí)現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 結構，133 條指令大多數可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成，滿(mǎn)足了本系統對執行速度的要求。它具有非易失性的程序和數據存儲器，128K 字節的系統內可編程Flash。由于本系統在對縱向距離的增減，橫向距離的增減，鍵盤(pán)掃描等程序設計均需要使用定時(shí)器。而此單片機分別提供了兩個(gè)具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計數器，以及兩個(gè)具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計數器。它具有兩路8 位PWM和6路分辨率可編程（2 到16 位）的PWM輸出比較調制器。它具有獨立片內振蕩器的可編程看門(mén)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，系統初始化后，當有運動(dòng)按鍵信號輸入單片機時(shí)，單片機將輸出相應的縱向或橫向控制信號。單片機接收經(jīng)過(guò)濾波后的縱向電機編碼器的信號，由內部程序計算當前的橫向和縱向位置，并將當前的位置信息輸出到CPLD，由CPLD驅動(dòng)顯示部分，顯示當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(shí)可以顯示壽命測試計數。本系統具有串行通信功能，能夠通過(guò)串行接口與PC機或其他設備通信。

3控制系統的軟件設計

主控制板首先接收來(lái)自用戶(hù)的操作信號，然后根據這些信號的狀態(tài)，通過(guò)AVR單片機和CPLD內部程序實(shí)現對電機的控制和顯示功能。在本檢測系統中，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)行復雜的編程才能實(shí)現各個(gè)功能。對本系統而言，AVR單片機固化程序的質(zhì)量，直接影響到了整個(gè)系統的運行穩定性和控制精度，因此AVR單片機固化程序的編程技術(shù)就成為系統控制的關(guān)鍵，這同時(shí)也是本系統的設計重點(diǎn)之一。通過(guò)分析床體的設計要求和實(shí)際運行情況，設計開(kāi)發(fā)出一套床體運動(dòng)測試程序，使得測試系統能夠對床體實(shí)際運行中所有的運動(dòng)狀態(tài)、運動(dòng)精度和運動(dòng)壽命進(jìn)行測試。

3．1 電機控制策略

本系統對步進(jìn)電機采用了開(kāi)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)出脈沖驅動(dòng)信號給直流步進(jìn)電機驅動(dòng)器，從而驅動(dòng)步進(jìn)電機動(dòng)作。電機的轉動(dòng)角度和位置由主控制板發(fā)出的脈沖個(gè)數決定。單片機是通過(guò)控制向驅動(dòng)器輸出脈沖的數量，經(jīng)過(guò)計算后判斷當前床體橫向位置。橫向位置通過(guò)數碼管顯示在用戶(hù)界面上。由于步進(jìn)電機具有誤差不累積的特性，所以通過(guò)這種開(kāi)環(huán)的控制方式能夠實(shí)現步進(jìn)電機的精確控制。