1、第24卷第4期2008年7月森林工程F10REST ENGINEERINGv0124 No4Jul，2008核磁共振仪床体单片机检测系统的研究韩 峰(鸡西大学。黑龙江鸡西158100)摘要：采用帆单片机，以通用医疗集团的0vation5型核磁共振仪的床体为研究对象，进行的检测系统的硬件与软件设计，深入分析和研究床体横向运动和纵向运动的精确控制问题。系统主要采用A1MEL公司的Atnle帮128单片机和AI肺A公司的Ef忧2伽100型CPLD芯片作为主控制部分，实现对床体纵向和横向运动的精确控制和检测。主控电路采用全数字控制方式和抗干扰设计，具有很高的抗干扰性能。通过在核磁共振仪的床体上进行的实
2、际应用，证明本系统能够完全实现对床体的控制功能，并且满足对床体各种测试的要求，具有较高的稳定可靠性。关键词：AvR单片机；核磁共振仪；检测系统；主控电路；控制方式中图分类号：TNl084 文献标识码：A 文章编号：100l一005X(2008)040054一04s伽y伽D咖IliIl鲥伽蛳0fNucl翰r Ma触Re鲫翰nAIIp嗣I删hls Bed B0dy B鹅ed帅C0砷mI UI削I柚Fellg(Ji)【i UniversiIy，Jixj 158100 Heilon百iang Pmvince)Abs雠Ict：，1118 pDecise control of the horiz()nta
3、l趾d vertical眦)vfmem of bed body were删yzed arId studied conductiIlg on0vation5 Nuclear Magnetic Resonance(NMR)apparaIus bed I)ody of tle ceneral Medical GmlJp by using AVR Micm Co咖lU11it(MCU)aner nle detection州em hardware and础ware des咖，Ihe taken systetlls were枷11ly A仃negal2 MCU of删ELCorl)0ration and
4、EPM240T100 AI胍AC肿c11ip 0f servi鸭as tle】ain contml pan t0 realize tIle prI梵涵contml and detection 0f出e horizontal甜1d venical 1110vefnent of bed b()dyIn addition alldi百tal cilcIlit con叻l and肌fijanlIning design were used by maincontml c沁uiI，which had lligIl an州刎ng pe而蚴cene system was pmved to be adeqIla
5、te to reIlizele connd ped缸mance 0f bed body and删any de而tions cd on bed body“thhigher s洲e础幽1吼Key words：A、碾MCU；NMR；detection syst锄；domi啪t circ血；conlIDl mode1 引 言近年来随着医学技术的快速发展，核磁共振仪已经在大中型医院中被广泛的应用。目前，在核磁共振仪的生产过程中，床体部分要与磁体一起搬入电磁屏蔽室组装后才能进行检测，这对人员和物资都是很大的浪费。针对这种状况，本文设计出了一套核磁共振仪床体部分的运动控制与检测系统，它能够对床体部分独立进行
6、检测，而不必将全部系统在屏蔽室安装后检测，从而降低了核磁共振仪床体部分的生产和检测成本，缩短了生产周期。本设计以通用医疗集团的mation5型核磁共振仪的床体为对象，对驱动床体做横向运动的直流步进电机和驱动床体做纵向运动的直流伺服电机的精确控制问题进行较为深入的分析和研究。系统主要采用了A1MEL公司的AtIllegal28单片机和AI肺A收稿日期：200802一lO作者简介：韩峰(1969一)，男，黑龙江林甸人，副教授。研究方向：电气工程方向。公司的EPM240T100型CPLD芯片作为主控制部分，实现了对床体纵向和横向运动的精确控制和检测。主控电路采用了全数字控制方式和抗干扰设计，具有很高
7、的抗干扰性能。2检测系统的硬件设计21系统硬件结构本检测系统主要由主控制板、显示部分、按键开关、传感器、串行通信和电机控制部分构成。床体的运动分为横向运动和纵向运动两种状态，分别由直流步进电机和直流伺服电机实现。本系统的硬件结构如图1所示。从图1可以看出，电机的逻辑控制由主控制板实现。系统经过初始化之后，当开关或按键发出通断信号给主控制板时，由单片机判断床体当前的状态，如果床体没有处于极限位置，则单片机向相应的电机发出驱动信号，驱动床体向相应的方向运动，否则床体停止运动。横向运动采用开环控制，运动位置由单片机发出的脉冲个数决定。纵向运动采用闭环控制，由连接在直流伺服电机上的编码器万方数据第4期
8、 韩峰：核磁共振仪床体单片机检测系统的研究 55反馈位置信号给主控制板。图l 系统硬件结构示意圈22主控制板硬件设计主控制板主要由譬旧单片机、凹LD、滤波电路、电平转换电路和串口通信电路等构成。A单片机主要实现控制功能，CPLD主要实现I0口扩展、逻辑判断和对输入、输出信号的编码解码功能。本系统采用的AA呲期128单片机是一种高性能、低功耗的8位微处理器，采用先进的mSC结构，133条指令大多数可以在一个时钟周期内完成，满足了本系统对执行速度的要求。它具有非易失性的程序和数据存储器，128 K字节的系统内可编程兀ash。由于本系统在对纵向距离的增减，横向距离的增减，键盘扫描等程序设计均需要使用
9、定时器。而此单片机分别提供了两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器计数器，以及两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器计数器。它具有两路8位PwM和6路分辨率可编程(2到16位)的删输出比较调制器。它具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，能够有效防止程序跑飞。图2主控制板硬件框图主控制板硬件框图如图2所示，系统初始化后，当有运动按键信号输入单片机时，单片机将输出相应的纵向或横向控制信号。单片机接收经过滤波后的纵向电机编码器的信号，由内部程序计算当前的横向和纵向位置，并将当前的位置信息输出到CPLD，由CPLD驱动显示部分，显示当前的横向和纵向位置。在寿命测试模式下，纵向显示
10、部分也同时可以显示寿命测试计数。本系统具有串行通信功能，能够通过串行接口与PC机或其他设备通信。3控制系统的软件设计主控制板首先接收来自用户的操作信号，然后根据这些信号的状态，通过AVR单片机和CPLD内部程序实现对电机的控制和显示功能。在本检测系统中，由于需要控制和显示的信息很多，并且关联性很强，因此需要对单片机进行复杂的编程才能实现各个功能。对本系统而言，AVR单片机固化程序的质量，直接影响到了整个系统的运行稳定性和控制精度，因此AVR单片机固化程序的编程技术就成为系统控制的关键，这同时也是本系统的设计重点之一。通过分析床体的设计要求和实际运行情况，设计开发出一套床体运动测试程序，使得测试
11、系统能够对床体实际运行中所有的运动状态、运动精度和运动寿命进行测试。31电机控制策略本系统对步进电机采用了开环控制，对直流伺服电机采用了闭环控制。(1)步进电机的控制。直流步进电机由主控制板发出脉冲驱动信号给直流步进电机驱动器，从而驱动步进电机动作。电机的转动角度和位置由主控制板发出的脉冲个数决定。单片机是通过控制向驱动器输出脉冲的数量，经过计算后判断当前床体横向位置。横向位置通过数码管显示在用户界面上。由于步进电机具有误差不累积的特性，所以通过这种开环的控制方式能够实现步进电机的精确控制。(2)伺服电机的控制。直流伺服电机是由单片机发出的网驱动信号经过放大后驱动电机动作。通过接在电机上的编码
12、器的反馈信号和前后极限位置传感器判断床体当前的纵向位置，实现了直流伺服电机的闭环控制。控制电机驱动信号，就可以实现电机的起停、正反转和加减速功能，从而实现床体的简单运动、复杂运动和指定运动状态。伺服电机的驱动是由主控制板发出控制信号，由驱动电路驱动直流伺服电机动作，配以脉冲发生器万方数据56 森林工程 第24卷(编码器)测量电机的转角，经滤波后反馈给单片机，从而构成了电机的闭环控制系统，实现了对直流伺服电机的精确控制。32 AVR单片机固化程序AVR单片机固化程序采用ICC语言编写，并使用模块化的设计方法，分为主程序、键盘扫描模块、显示模块、运动控制模块、横向运动测试模块、纵向运动测试模块和寿
13、命测试模块。模块化设计使软件更加灵活，便于调用和移植，并且在错误发生的时候，可以很快的找到错误，极大的提高了系统的可靠性和稳定性。(1)主程序。主程序要完成系统的初始化，中断设置，全局变量设置和看门狗设置等。在初始化结束后，系统进入主查询循环过程，判断当前进行的操作，并进入相应的功能模块。系统程序中采用了状态位的方式，实现主程序和各个功能模块，以及各个功能模块之间的运动状态的通信，保证了在各个功能模块之间切换时，系统的安全和稳定性。系统主程序的流程图如图3所示。(2)键盘扫描模块。由于对系统响应速度要求不高，所以键盘扫描采用了查询的方式。键盘扫描模块程序流程图如图4所示，纵向运动的优先级大于横
14、向运动的优先级，当纵向按键和横向按键同时按下时，床体将会纵向运动，横向运动按键被屏蔽。(3)寿命测试模块。寿命测试部分是本系统中结构最复杂，涉及变量最多的一个功能模块，并且同时存在系统状态位和寿命测试状态位变量，所以各个功能模块之间的状态通信也比其他功能模块复杂。在这个模块中，主要实现了床体自动进行复杂运动的功能，并且能够对各种预先设定的循环运动计数，从而实现对床体的寿命测试。寿命测试模块如图5所示。33 CPLD固化程序cPLD固化程序采用仍L语言编写。主要功能为：(1)驱动“纵向位置”数码管显示当前纵向位置或寿命测试计数。(2)对极限位置传感器的差分信号解码后，输出给MCU。(3)接收横向
15、位置信号，并驱动“横向位置”数码管，显示横向位置。(4)驱动极限位置指示LED。圈3主程序流程圈4结论通过在核磁共振仪的床体上进行的实际应用，证明本系统能够完全实现对床体的控制功能，并且满足对床体各种测试的要求，具有较高的稳定可靠性。本系统能够独立对核磁共振仪的床体进行检测，大大降低了生产成本，缩短了生产周期，具有较高的应用价值。万方数据第4期 韩峰：核磁共振仪床体单片机检测系统的研究 57圉4键盘扫描模块程序流程图图5寿命测试模块【参考文献】1王晓明电动机的单片机控制【M北京：北京航空航天大学出版社，20022马 潮高档8位单片机A1脒租128原理与开发应用指南(上)M北京：北京航空航天大学
16、出版社，2004【3周立功，夏宁闻，等单片机与cPLD综合应用技术【M北京：北京航窄航天大学出版社，20034王向周，任月慧，郑戍华，等基于MB90f踟单片机的直流伺服电机调速系统J电测与仪表，23，40(6)：5961【责任编辑：杨学春(上接第20页)同时，司法机关也应尽快对林地案件的立案标准作出明确的司法解释。(4)开展人工造林，不断扩大红树林面积。在对现存的红树林加强保护的基础上，要加大对红树林造林的资金投入，因地制宜，有计划、有步骤地开展红树林的营造并应用最新科技成果，加快人工林培育，引种、栽培、扩种，逐步恢复红树林，进一步扩大珍稀鸟类及其它生物的生存空间。(5)完善红树林资源的管理体
17、制，协调各有关部门的政策法规，制定统一行动。虽然国务院在1998年规定了红树林由林业部门管理，但目前我国红树林的管理现状实际上仍是多头管理，导致各部门各自为政，缺乏统筹与协调，造成一地多管、有利都争、有问题互相推诿的混乱现象，而且存在一些部门没有红树林保护的意识，一旦产生利益冲突，红树林往往成为牺牲品。因此需进一步完善红树林资源的管理体制，协调各有关部门的政策法规，制定统一的行动，从而实现对红树林资源严格保护和合理开发的目标。【参考文献】1廖宝文，仲崇禄我国沿海红树林发展设想EB，0Lhttp：wwwgdaeccolllcn，20056152董峻世界地球日守护家园EB，0Lwwwpe呵dec0
18、IIIcn2()03一04213周生贤全面加强沿海防护林体系建设加快构筑我国万里海疆的绿色屏障在全国沿海防护林体系建设座谈会上的讲话J热带林业，2005，33(2)：494王江浅谈森林生态保护及生态意识的重要性J森林工程，2004，20(3)：9一lO5韩维栋雷州半岛红树林及其保护策略研究M北京：中国学术期刊电子出版社，20026陈克林，杨秀芝海啸之后审视红树林防浪减灾作用N中国绿色时报，20050113【7贾天杰，郑北鹰透视红树林N光明日报，20晒一0711责任编辑：李洋万方数据核磁共振仪床体单片机检测系统的研究作者： 韩峰作者单位： 鸡西大学,黑龙江,鸡西,158100刊名： 森林工程英文
19、刊名： FOREST ENGINEERING年，卷(期)： 2008，24(4)引用次数： 0次参考文献(4条)1.王晓明.电动机的单片机控制M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.2.马潮.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南(上)M.北京:北京航空航天大学出版社,2004.3.周立功,夏宇闻,等.单片机与CPLD综合应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.4.王向周,任月慧,郑戍华,等.基于MB90F549单片机的直流伺服电机调速系统J.电测与仪表,2003,40(6):59-61.相似文献(3条)1.期刊论文 于继铭.张晓冬.YU Ji-ming.ZHANG
20、 Xiao-dong 基于AVR单片机的核磁共振仪床体检测系统 -机械工程与自动化2007(5)介绍了由AVR单片机实现的核磁共振仪床体检测系统的硬件与软件设计,深入分析和研究了床体横向运动和纵向运动的精确控制问题.2.学位论文 于继铭 基于AVR单片机的核磁共振仪床体运动控制与检测系统 2007本课题以通用电气医疗集团的Ovation5型核磁共振仪的床体为控制对象，研制了核磁共振成像仪床体运动控制与检测系统。论文具体分析了系统的设计要求，阐述了系统的功能，介绍了系统的硬件设计和软件设计。 本系统的控制对象是核磁共振成像仪的床体，实现床体的纵向运动和横向运动控制及检测功能，纵向运动采用直流伺服
21、电机驱动，横向运动采用直流步进电机驱动。床体同时具有现场手动控制和主机远程控制两种控制方式。控制系统主要由控制单元、执行机构、检测单元和显示单元四部分构成。系统设计了AVR系列单片机与MAX 系列CPLD相结合的核心控制器，采用PWM方式控制直流伺服电机。闭环PI调节调节器的应用，使控制系统具有良好的动态和静态性能。对直流步进电机采用驱动器开环控制方式。 为了降低系统内不同等级电压间的相互干扰，本设计将控制部分与功率部分放置在不同电路板上。系统的硬件电路板主要包括主控制板、显示按键板、电机驱动板。主控制板是系统的核心部分，包括以单片机和CPID为主控元件控制核心，位置信号滤波电路，电平转换电路
22、，串口通信电路，电流信号处理电路和一些外围辅助电路。显示按键板是系统中的人机对话部分，操作人员通过对操作面板上的按键和开关的操作实现系统的控制和检测功能。电机驱动板是系统直接连接两台被控电机的执行部分，主要包括直流伺服电机驱动电路、步进电机驱动电路和过流保护电路。 本系统的软件设计包括两个部分，单片机程序设计和CPID程序设计。AVR单片机采用ICC语言，采用模块化设计，增加了程序的可读性和可移植性。主要的程序模块有：主程序、按键扫描模块、动态显示输出模块、PWM波控制模块、纵向运动测试模块、横向运动测试模块、寿命测试模块等。CPID采用Quartus平台开发，采用原理图输入的方式，实现显示信
23、号编码、步进电机驱动脉冲计数、横向位置计算等功能。 本文最后在对运动控制与检测系统在实际应用中的情况进行了实验研究，并提出了部分改进方案。目前该系统已应用于GE公司的核磁共振成像仪床体的生产与实验。系统能够对床体部分独立进行检测，解决了安装全部系统带来的不便，缩短了生产周期，同时，为今后开发功能更完善、性能更先进的运动控制与检测系统奠定了良好的基础。3.期刊论文 卢山.于继铭.LU Shan.YU Ji-ming 基于AVR单片机和CPLD的核磁共振仪床体检测系统 -机械与电子2007(7)介绍了由AVR单片机实现的核磁共振仪床体检测系统的硬件与软件设计,深入分析和研究了床体横向运动和纵向运动的精确控制问题.本文链接：http:/
