基于AVR單片機(jī)的核磁共振儀床體檢測系統(tǒng)

1、基于AVR單片機(jī)的核磁共振儀床體檢測系統(tǒng)于繼銘 張曉冬（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）摘要：本文介紹了由AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的核磁共振儀床體檢測系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，深入分析和研究了床體橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)的精確控制問題。關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；檢測系統(tǒng)；電機(jī)控制；Abstract: This paper introduces the hardware and firmware design of the MRI Table JIG by AVR microcomputer control. Also describes the precise control of table mot

2、ion on lateral and longitude directions.Key words: AVR MUC; Detection system; Motor control;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(fèi)。針對這種狀況，本文設(shè)計(jì)出了一套核磁共振儀床體部分的運(yùn)動(dòng)控制與檢測系統(tǒng)，它能夠?qū)Υ搀w部分獨(dú)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(jì)以通用醫(yī)療集團(tuán)的

3、Ovation5型核磁共振儀的床體為對象，對驅(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)了對床體縱向和橫向運(yùn)動(dòng)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(jì)，具有很高的抗干擾性能。2 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)21 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(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

4、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，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。縱向運(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給主控制板。22 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、邏輯判斷和對輸入、輸出信號的編碼

5、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

6、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。單片機(jī)接收經(jīng)過濾波后的縱向電機(jī)編碼器的信號，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。在壽命測試模式下，縱向顯示部分也同時(shí)可以顯示壽命測試計(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，然后根據(jù)這些信號的狀態(tài)，通過AVR單片機(jī)和CPLD內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的控制和顯示

7、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(qiáng)，因此需要對單片機(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)測試程序，使得測試系統(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)行測試。31 電機(jī)控制策略本系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)采用了開環(huán)控制，對直流伺服電機(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)信號給直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

8、，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。312 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，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

9、制板發(fā)出控制信號，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)了對直流伺服電機(jī)的精確控制。 32 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)測試模塊、縱向運(yùn)動(dòng)測試模塊和壽命測試模塊。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。321 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

10、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322 鍵盤掃描模塊由于對系統(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)先級大于橫向運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先級，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。323 壽命測試模塊壽命測試部分是本系統(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

11、測試狀態(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)對床體的壽命測試。圖5 壽命測試模塊33 CPLD固化程序CPLD固化程序采用VHDL語言編寫。主要功能為： 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試計(jì)數(shù)； 對極限位置傳感器的差分信號解碼后，輸出給MCU； 接收橫向位置信號，并驅(qū)動(dòng)“橫向位置”數(shù)碼管，顯示橫向位置； 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)對床體的控制功能，并且滿足對床體各種測試的要求，具有較高的穩(wěn)定可靠性。本系統(tǒng)能夠獨(dú)立對核磁共振儀的床體進(jìn)行檢測，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)1王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M.北京:北京航空航天