1引言

隨著光學、機械、電子、計算機各種技術的長足發(fā)展伴隨著各種器件成本的降低,醫(yī)用激光器在近年來的發(fā)展功能日趨復雜,操作更為迅速和便捷。新型的醫(yī)用激光器利用激光與生物組織間的選擇性吸收原理和激光的光熱作用原理來達到破壞病灶靶組織而不破壞其周圍正常組織的功能。為滿足醫(yī)生對臨床應用的需求以及對設備維護工作更高的要求,許多激光公司都十分重視對激光操作控制平臺的研究。本文針對醫(yī)用激光器設計了一種新型嵌入式控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖

激光器控制系統(tǒng)的硬件設計包含兩個方面,一個方面是嵌入式控制單元及其接口的設計,包括CPU處理器的選型,數(shù)字/模擬信號的相互轉(zhuǎn)換,按鍵鍵盤、LCD顯示和串行通訊接口等。另一方面包含激光器預燃/觸發(fā)和IGBT驅(qū)動等電路的設計。醫(yī)用激光器的控制系統(tǒng)是基于Rabbit2000系列單板機的一個高性能的、C 語言可編程的控制系統(tǒng),它將數(shù)字輸入/輸出、模擬輸入/輸出點以及以太網(wǎng)連接緊湊地固化在一個核心模塊上,溫室智能控制器的微處理器是Rabbit2000TM,控制器的硬件結(jié)構框圖如圖1所示。

2 硬件電路詳細設計

1、嵌入式處理器。系統(tǒng)的核心模塊是Rabbit2000微控制器,通過與上位機通信完成對各個執(zhí)行機構的控制以及數(shù)據(jù)采集。為了使Rabbit2000能夠正常工作,在其外圍擴展了程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及電源、復位、晶振電路。該控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口或者RS-485總線與上位機通信,接收命令并傳送數(shù)據(jù)。通過模擬量輸入輸出通道實現(xiàn)模擬量的數(shù)據(jù)采集和模擬控制量的輸出,通過數(shù)字量輸入輸出通道實現(xiàn)數(shù)字量的采集和開關控制量的輸出。Rabbit半導體器件是專門為應用于中小型控制器而設計的一種高性能微處理器。Rabbit通過指令運行。而且與別的微處理器比起來,Rabbit2000的計算能力也是優(yōu)于其它的8位微處理器。

2、D/A與A/D轉(zhuǎn)換電路。本醫(yī)用激光器有一路模擬量輸出通道,選用內(nèi)帶基準源和運算放大器的10位DAC轉(zhuǎn)換器MAX504, MAX504內(nèi)部提供2.048V基準電壓,內(nèi)部運算放大器為rail-to-rail緩沖輸出,輸入接口為SPI接口,簡化了電路設計,節(jié)省口線。模擬量輸出電路如圖2所示。Rabbit2000輸出口線PD2,PB0,PC4分別連接到DAC的片選端、時鐘輸入端和數(shù)據(jù)輸入端。MAX504使用內(nèi)部基準源,電壓輸出通過同相輸入運放的串聯(lián)電壓負反饋電路達到放大,由于RFB連接VOUT、BIPOFF連接AGND,使得輸出電壓范圍為0-2VREFIN, 即0-4.069V。同相輸入運放的閉環(huán)放大倍數(shù)公式為AVf=1+R52/R53,因此放大倍數(shù)為2.5倍。

A/D轉(zhuǎn)換電路。激光器有八路模擬信號輸入量需要通過A/D轉(zhuǎn)換送到MCU處理,這八路輸入量依次為:能量校準信號、傳輸能量大小監(jiān)控、染料監(jiān)控(可選)、HVPS反饋、染料溫度(可選)、冷卻水溫、控制板溫度、外部能量計信號。能量校準和傳輸能量大小監(jiān)控信號都是通過光纖將光信號送至光電轉(zhuǎn)換器SFH250V轉(zhuǎn)換成電流信號,再通過反相輸入運放OP400GS深度放大送至A/D轉(zhuǎn)換器。此兩路信號的增益由MCU控制,MCU輸出一個字節(jié)到74hc574鎖存器,分高4位和低4位分別送至多路模擬開關PS392,切換運放的深度負反饋電阻值,達到不同比例的放大倍數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用MAX147。

3、串口電路。激光器RS232通信總線發(fā)送接受器選用MAX232,該芯片內(nèi)部集成了 2個驅(qū)動器、2個接收器和1個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232電平。RS232通信的接收發(fā)送操作由串行口C完成,RS232為全雙工通信,無需收發(fā)控制,通信輸出直接連接到DB9的2腳、3腳和5腳。其中2腳為發(fā)送、3腳為接收、5腳為地,符合一般工業(yè)現(xiàn)場從設備RS232通信引腳定義習慣。由于RS232通信電平與TTL電平不兼容,因此需要進行電平轉(zhuǎn)換。

4、按鈕鍵盤。激光器的按鍵數(shù)量不多,故采用獨立式按鍵結(jié)構電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根RCM2100的I/O口線,每根I/O口線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響到其它I/O口的工作狀態(tài)。按鍵輸入低電平有效,經(jīng)過14490防抖動處理,再送至74HC245雙向三態(tài)門電路,當片選選通后送至RCM2100的普通I/O口BD0-7。鍵盤設計為雙行2列外加6個獨立按鈕,共計10個按鍵開關。

5、LCD與MCU接口電路。在本系統(tǒng)中,MCU與LCD之間采用的是直接訪問的方式。MCU可以利用總線的方式與內(nèi)藏T6963C液晶顯示模塊直接通信。RCM2100的數(shù)據(jù)口BD(7:0)直接與液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口連接。由于T6963C接口適用于RABBIT系列的MCU,所以可以直接用MCU的/nlORD/nlOWR作為液晶顯示模塊的讀寫控制信號。液晶顯示模塊的VDD掛在+5V上,/RE接RESET復位,/CE接MCU經(jīng)譯碼后的LCDCS片選。C/D信號由RCM2100的地址線BA0提供。BA0=1為指令口地址;BA0=0為數(shù)據(jù)口地址。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

Dynamic C是用于編寫嵌入式應用軟件的一套完整的開發(fā)系統(tǒng),它可運行在IBM兼容機上,是專為Z-World控制器和基于Rabbit微處理器的控制器而設計的。醫(yī)用激光器控制器控制單元應用程序的開發(fā)采用Dynamic C。Dynamic C是一個專門用于Rabbit處理器開發(fā)內(nèi)帶μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的嵌入式、多任務開發(fā)系統(tǒng)。它含有一個集成開發(fā)環(huán)境,其中包括:C編譯器、編輯器、鏈接器、裝載器和調(diào)試器。

醫(yī)用激光器上電開機后,主程序先完成對Rabbit2000、系統(tǒng)參數(shù)、全局變量、ADC、套接字、串行通信口等的初始化工作。通信處理程序處于接受狀態(tài),同時讀取激光器設備門開關、傳導光纖、三個光路擋板、通信程序開關、高壓電源、冷卻水高中位狀態(tài)、保險絲狀態(tài)、預燃、IGBT故障、流量、冷卻水低位、校正口開關等開關量輸入的狀態(tài)是否正常。在每個主循環(huán)里都要判斷激光器的運行情況,判斷是否有能量反饋超范圍、冷卻水溫度超限、短路、開路、過流現(xiàn)象。

4.1 程序初始化

1、系統(tǒng)上電初始化由 InitWorkl()函數(shù)完成,該函數(shù)會對寄存器、系統(tǒng)參數(shù)、全局變量、ADC、串行通信口、外部中斷向量、定時器等進行初始化。初始化程序流程圖如圖3所示。

2、初始化串行口。串行口初始化只需根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)中串行口模式字節(jié)SerModeByte調(diào)用serCopen()或serDopen()函數(shù)即可完成對波特率、數(shù)據(jù)格式的設置。串行口處理時將會自動按照SerModeByte中的通信協(xié)議設置進行數(shù)據(jù)包接收接查、命令譯碼、命令響應等操作。串行口設置結(jié)束后,還需初始化串行通信標志,邏輯上將三個串行口均置為接收操作狀態(tài),即將三個串行口的接受允許置為低電平,以用于主程序中串行通信狀態(tài)的表示。

3、中斷向量安裝。醫(yī)用激光器的中斷服務程序由第0號外部中斷和定時器中斷組成,其中利用系統(tǒng)硬件產(chǎn)生10ms同步信號來觸發(fā)第0號外部中斷,第0號外部中斷的類型號為0x09,使用系統(tǒng)函數(shù)SetVectExtern3000()即可將0x09號中斷向量設置為第0號外部中斷服務程序Int0_l0ms Isr()的入口地址。ADC采樣時間的控制和采樣數(shù)據(jù)的保存是在定時器中斷服務程序中完成。定時器A的中斷類型號為0x0A,定時器B的中斷類型號為0x0B,中斷服務程序分別為TimerA_ISR()和TimerB_ISR( ),利用系統(tǒng)函數(shù)SetVectIntern()將0x0B號中斷向量設置為TimerB_ISR()的入口地址。定時器由第0號外部中斷服務程序啟動。

4.2 主程序設計

初始化結(jié)束后將進入主循環(huán)體,在主循環(huán)中會將對A/D轉(zhuǎn)換進行處理,即查詢A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,如果結(jié)束,則從MAX 147讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)處理,并切換通道,啟動下一次轉(zhuǎn)換;若未結(jié)束,則判斷轉(zhuǎn)換是否超時,若超時則置A/D轉(zhuǎn)換錯誤標志,否則直接返回主程序。

主循環(huán)體中D/A轉(zhuǎn)換處理是對模擬量輸出進行操作,當模擬量輸出被允許,程序?qū)芽刂戚敵龃a值串行輸出到MAX504;若模擬量輸出不使用,則將MAX504的CS引腳置為高電平,禁止D/A轉(zhuǎn)換。通信處理部分會對RS232串行口的狀態(tài)進行查詢,若串行發(fā)送操作結(jié)束,則立即切換為接收狀態(tài):若接收到新的數(shù)據(jù),則對接收數(shù)據(jù)進行語法檢查,檢查通過后會進行命令翻譯和響應;若正在發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù),則繼續(xù)發(fā)送或接收,直到發(fā)送或接收操作完畢。

5 嵌入式控制系統(tǒng)抗干擾設計

由于醫(yī)用激光器的激光發(fā)射裝置含有大電流的開關電源和高壓電容充放電的動作,以及應用環(huán)境中其他設備可能存在的干擾,所以控制系統(tǒng)的抗干擾設計是不可避免的。

1、電氣隔離。電氣隔離通常采用的是光電隔離。光電隔離由光源(如發(fā)光二極管)和光傳感器(如光敏三極管)組成。當I/0口輸出脈沖信號時,光敏二極管因?qū)òl(fā)光,光敏三極管因光耦合而導通,則輸出低電平;光敏三極管截至時輸出高電平。光電隔離輸出電路設計如圖4所示。

2、去耦電容。去耦電容在控制電路PCB板設計在電子設備的電磁兼容性及抗能力方面有著重要的作用。合理使用去耦電容也就成為保障控制電路穩(wěn)定運行的一個重要因素。

本文作者創(chuàng)新點

本文的研究內(nèi)容是醫(yī)用激光器的嵌入式控制設計。本文的意義在于,本文不僅設計了醫(yī)用激光器的嵌入式控制系統(tǒng),并且相關的一些設計應用方法對于其它一些醫(yī)療儀器的設計和問題的解決也有一定的參考和指導意義。

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審核編輯 黃宇