1引言

近年來隨著醫(yī)學技術的快速發(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控制與檢測系統(tǒng)，它能夠?qū)Υ搀w部分獨立進行檢測，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。

本設計以通用醫(yī)療集團的Ovation5型核磁共振儀的床體為對象，對驅(qū)動床體做橫向運動的直流步進電機和驅(qū)動床體做縱向運動的直流伺服電機的精確控制問題進行較為深入的分析和研究。系統(tǒng)主要采用了ATMEL公司的Atmega128單片機和ALTRA公司的EPM240T100型CPLD芯片作為主控制部分，實現(xiàn)了對床體縱向和橫向運動的精確控制和檢測。主控電路采用了全數(shù)字控制方式和抗干擾設計，具有很高的抗干擾性能。

2檢測系統(tǒng)的硬件設計

2．1 系統(tǒng)硬件結構

本檢測系統(tǒng)主要由主控制板、顯示部分、按鍵開關、傳感器、串行通信和電機控制部分構成。床體的運動分為橫向運動和縱向運動兩種狀態(tài)，分別由直流步進電機和直流伺服電機實現(xiàn)。本系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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現(xiàn)。系統(tǒng)經(jīng)過初始化之后，當開關或按鍵發(fā)出通斷信號給主控制板時，由單片機判斷床體當前的狀態(tài)，如果床體沒有處于極限位置，則單片機向相應的電機發(fā)出驅(qū)動信號，驅(qū)動床體向相應的方向運動，否則床體停止運動。橫向運動采用開環(huán)控制，運動位置由單片機發(fā)出的脈沖個數(shù)決定?？v向運動采用閉環(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(zhuǎn)換電路和串口通信電路等構成。AVR單片機主要實現(xiàn)控制功能，CPLD主要實現(xiàn)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(tǒng)采用的AVR Atmega128單片機是一種高性能、低功耗的8位微處理器，采用先進的 RISC 結構，133 條指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(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，鍵盤掃描等程序設計均需要使用定時器。而此單片機分別提供了兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器，以及兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(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。它具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，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，當有運動按鍵信號輸入單片機時，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)過濾波后的縱向電機編碼器的信號，由內(nèi)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(qū)動顯示部分，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可以顯示壽命測試計數(shù)。本系統(tǒng)具有串行通信功能，能夠通過串行接口與PC機或其他設備通信。

3控制系統(tǒng)的軟件設計

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單片機和CPLD內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對電機的控制和顯示功能。在本檢測系統(tǒng)中，由于需要控制和顯示的信息很多，并且關聯(lián)性很強，因此需要對單片機進行復雜的編程才能實現(xiàn)各個功能。對本系統(tǒng)而言，AVR單片機固化程序的質(zhì)量，直接影響到了整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和控制精度，因此AVR單片機固化程序的編程技術就成為系統(tǒng)控制的關鍵，這同時也是本系統(tǒng)的設計重點之一。通過分析床體的設計要求和實際運行情況，設計開發(fā)出一套床體運動測試程序，使得測試系統(tǒng)能夠?qū)Υ搀w實際運行中所有的運動狀態(tài)、運動精度和運動壽命進行測試。

3．1 電機控制策略

本系統(tǒng)對步進電機采用了開環(huán)控制，對直流伺服電機采用了閉環(huán)控制。

3.1.1 步進電機的控制

直流步進電機由主控制板發(fā)出脈沖驅(qū)動信號給直流步進電機驅(qū)動器，從而驅(qū)動步進電機動作。電機的轉(zhuǎn)動角度和位置由主控制板發(fā)出的脈沖個數(shù)決定。單片機是通過控制向驅(qū)動器輸出脈沖的數(shù)量，經(jīng)過計算后判斷當前床體橫向位置。橫向位置通過數(shù)碼管顯示在用戶界面上。由于步進電機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)步進電機的精確控制。