一種基于MCU的激光器控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1引言

隨著光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)各種技術(shù)的長(zhǎng)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(lái)的發(fā)展功能日趨復(fù)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(lái)達(dá)到破壞病灶靶組織而不破壞其周?chē)＝M織的功能。為滿(mǎn)足醫(yī)生對(duì)臨床應(yīng)用的需求以及對(duì)設(shè)備維護(hù)工作更高的要求,許多激光公司都十分重視對(duì)激光操作控制平臺(tái)的研究。本文針對(duì)醫(yī)用激光器設(shè)計(jì)了一種新型嵌入式控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

激光器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面,一個(gè)方面是嵌入式控制單元及其接口的設(shè)計(jì),包括CPU處理器的選型,數(shù)字/模擬信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換,按鍵鍵盤(pán)、LCD顯示和串行通訊接口等。另一方面包含激光器預(yù)燃/觸發(fā)和IGBT驅(qū)動(dòng)等電路的設(shè)計(jì)。醫(yī)用激光器的控制系統(tǒng)是基于Rabbit2000系列單板機(jī)的一個(gè)高性能的、C 語(yǔ)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(diǎn)以及以太網(wǎng)連接緊湊地固化在一個(gè)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(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

1、嵌入式處理器。系統(tǒng)的核心模塊是Rabbit2000微控制器,通過(guò)與上位機(jī)通信完成對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(kuò)展了程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及電源、復(fù)位、晶振電路。該控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口或者RS-485總線與上位機(jī)通信,接收命令并傳送數(shù)據(jù)。通過(guò)模擬量輸入輸出通道實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)據(jù)采集和模擬控制量的輸出,通過(guò)數(shù)字量輸入輸出通道實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的采集和開(kāi)關(guān)控制量的輸出。Rabbit半導(dǎo)體器件是專(zhuān)門(mén)為應(yīng)用于中小型控制器而設(shè)計(jì)的一種高性能微處理器。Rabbit通過(guò)指令運(yùn)行。而且與別的微處理器比起來(lái),Rabbit2000的計(jì)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(zhǔn)源和運(yùn)算放大器的10位DAC轉(zhuǎn)換器MAX504, MAX504內(nèi)部提供2.048V基準(zhǔn)電壓,內(nèi)部運(yùn)算放大器為rail-to-rail緩沖輸出,輸入接口為SPI接口,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),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(shí)鐘輸入端和數(shù)據(jù)輸入端。MAX504使用內(nèi)部基準(zhǔn)源,電壓輸出通過(guò)同相輸入運(yùn)放的串聯(lián)電壓負(fù)反饋電路達(dá)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(yùn)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(hào)輸入量需要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送到MCU處理,這八路輸入量依次為:能量校準(zhǔn)信號(hào)、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(jì)信號(hào)。能量校準(zhǔn)和傳輸能量大小監(jiān)控信號(hào)都是通過(guò)光纖將光信號(hào)送至光電轉(zhuǎn)換器SFH250V轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),再通過(guò)反相輸入運(yùn)放OP400GS深度放大送至A/D轉(zhuǎn)換器。此兩路信號(hào)的增益由MCU控制,MCU輸出一個(gè)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(kāi)關(guān)PS392,切換運(yùn)放的深度負(fù)反饋電阻值,達(dá)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(gè)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)接收器和1個(gè)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(wú)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(chǎng)從設(shè)備RS232通信引腳定義習(xí)慣。由于RS232通信電平與TTL電平不兼容,因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

4、按鈕鍵盤(pán)。激光器的按鍵數(shù)量不多,故采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)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(huì)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(guò)14490防抖動(dòng)處理,再送至74HC245雙向三態(tài)門(mén)電路,當(dāng)片選選通后送至RCM2100的普通I/O口BD0-7。鍵盤(pán)設(shè)計(jì)為雙行2列外加6個(gè)獨(dú)立按鈕,共計(jì)10個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)。

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(wèn)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(xiě)控制信號(hào)。液晶顯示模塊的VDD掛在+5V上,/RE接RESET復(fù)位,/CE接MCU經(jīng)譯碼后的LCDCS片選。C/D信號(hào)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(shè)計(jì)

Dynamic C是用于編寫(xiě)嵌入式應(yīng)用軟件的一套完整的開(kāi)發(fā)系統(tǒng),它可運(yùn)行在IBM兼容機(jī)上,是專(zhuān)為Z-World控制器和基于Rabbit微處理器的控制器而設(shè)計(jì)的。醫(yī)用激光器控制器控制單元應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)采用Dynamic C。Dynamic C是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于Rabbit處理器開(kāi)發(fā)內(nèi)帶μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式、多任務(wù)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它含有一個(gè)集成開(kāi)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(kāi)機(jī)后,主程序先完成對(duì)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(shí)讀取激光器設(shè)備門(mén)開(kāi)關(guān)、傳導(dǎo)光纖、三個(gè)光路擋板、通信程序開(kāi)關(guān)、高壓電源、冷卻水高中位狀態(tài)、保險(xiǎn)絲狀態(tài)、預(yù)燃、IGBT故障、流量、冷卻水低位、校正口開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量輸入的狀態(tài)是否正常。在每個(gè)主循環(huán)里都要判斷激光器的運(yùn)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(kāi)路、過(guò)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(huì)對(duì)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(shí)器等進(jìn)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(duì)波特率、數(shù)據(jù)格式的設(shè)置。串行口處理時(shí)將會(huì)自動(dòng)按照SerModeByte中的通信協(xié)議設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)包接收接查、命令譯碼、命令響應(yīng)等操作。串行口設(shè)置結(jié)束后,還需初始化串行通信標(biāo)志,邏輯上將三個(gè)串行口均置為接收操作狀態(tài),即將三個(gè)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(wù)程序由第0號(hào)外部中斷和定時(shí)器中斷組成,其中利用系統(tǒng)硬件產(chǎn)生10ms同步信號(hào)來(lái)觸發(fā)第0號(hào)外部中斷,第0號(hào)外部中斷的類(lèi)型號(hào)為0x09,使用系統(tǒng)函數(shù)SetVectExtern3000()即可將0x09號(hào)中斷向量設(shè)置為第0號(hào)外部中斷服務(wù)程序Int0_l0ms Isr()的入口地址。ADC采樣時(shí)間的控制和采樣數(shù)據(jù)的保存是在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中完成。定時(shí)器A的中斷類(lèi)型號(hào)為0x0A,定時(shí)器B的中斷類(lèi)型號(hào)為0x0B,中斷服務(wù)程序分別為T(mén)imerA_ISR()和TimerB_ISR( ),利用系統(tǒng)函數(shù)SetVectIntern()將0x0B號(hào)中斷向量設(shè)置為T(mén)imerB_ISR()的入口地址。定時(shí)器由第0號(hào)外部中斷服務(wù)程序啟動(dòng)。

4.2 主程序設(shè)計(jì)

初始化結(jié)束后將進(jìn)入主循環(huán)體,在主循環(huán)中會(huì)將對(duì)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理,即查詢(xún)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(yīng)的數(shù)據(jù)處理,并切換通道,啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換;若未結(jié)束,則判斷轉(zhuǎn)換是否超時(shí),若超時(shí)則置A/D轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤標(biāo)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(duì)模擬量輸出進(jìn)行操作,當(dāng)模擬量輸出被允許,程序?qū)?huì)把控制輸出碼值串行輸出到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(huì)對(duì)RS232串行口的狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún),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(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)法檢查,檢查通過(guò)后會(huì)進(jìn)行命令翻譯和響應(yīng);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(shè)計(jì)

由于醫(yī)用激光器的激光發(fā)射裝置含有大電流的開(kāi)關(guān)電源和高壓電容充放電的動(dòng)作,以及應(yīng)用環(huán)境中其他設(shè)備可能存在的干擾,所以控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)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(dāng)I/0口輸出脈沖信號(hào)時(shí),光敏二極管因?qū)òl(fā)光,光敏三極管因光耦合而導(dǎo)通,則輸出低電平;光敏三極管截至?xí)r輸出高電平。光電隔離輸出電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2、去耦電容。去耦電容在控制電路PCB板設(shè)計(jì)在電子設(shè)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(yùn)行的一個(gè)重要因素。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

本文的研究?jī)?nèi)容是醫(yī)用激光器的嵌入式控制設(shè)計(jì)。本文的意義在于,本文不僅設(shè)計(jì)了醫(yī)用激光器的嵌入式控制系統(tǒng),并且相關(guān)的一些設(shè)計(jì)應(yīng)用方法對(duì)于其它一些醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)和問(wèn)題的解決也有一定的參考和指導(dǎo)意義。

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審核編輯 黃宇