核磁共振掃描儀壽命...doc

密級(jí)： 保密期限： 碩士研究生學(xué)位論文 題目：核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)學(xué) 號(hào)： 076664 姓 名： 寇羽欣 專 業(yè)：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置導(dǎo) 師： 周慧玲 學(xué) 院： 自動(dòng)化 2010年 1 月 10 日獨(dú)創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名： 日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密在 年解密后適用本授權(quán)書。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。本人簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)摘 要本課題以某醫(yī)療集團(tuán)的核磁共振掃描儀床體為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了核磁共振掃描儀床體運(yùn)動(dòng)控制與壽命檢測(cè)系統(tǒng)。論文根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)闡述了如何設(shè)計(jì)軟硬件以實(shí)現(xiàn)壽命檢測(cè)系統(tǒng)的具體功能。本壽命檢測(cè)系統(tǒng)以核磁共振掃描儀的床體為控制對(duì)象，多模式控制床體運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)床體壽命。系統(tǒng)選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)床體縱向運(yùn)動(dòng)，而選用直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)床體橫向運(yùn)動(dòng)，結(jié)合光電編碼盤等硬件設(shè)備，精確控制床體的縱向橫向運(yùn)動(dòng)，并可實(shí)時(shí)反饋床體的精確位移。而在床體控制方式的設(shè)置上，設(shè)置了現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和主機(jī)遠(yuǎn)程控制兩種方式。系統(tǒng)的功能主要由控制功能模塊部分、顯示功能模塊部分以及通信功能模塊三部分實(shí)現(xiàn)。在控制功能部分，主控制單元選用AVR與CPLD相結(jié)合的方式構(gòu)成，而在運(yùn)動(dòng)控制單元，則分別選用PWM方式閉環(huán)控制直流伺服電機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)器開環(huán)控制直流步進(jìn)電機(jī)。在顯示功能部分，選用專用數(shù)碼管/鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，將系統(tǒng)硬件按功能分布于不同的電路板上，旨在降低系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的硬件電路板主要包括主控制部分、電機(jī)控制部分、速度位移顯示部分、串行通信部分以及按鍵部分。主控制部分包括：結(jié)合AVR和CPLD為核心的主控元件，以及電平轉(zhuǎn)換電路等外圍輔助電路。電機(jī)控制部分包括直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及相關(guān)外圍輔助電路。速度位移顯示部分以及按鍵按鍵部分是系統(tǒng)中的人機(jī)對(duì)話部分，操作人員通過對(duì)操作面板上的按鍵和開關(guān)的操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和檢測(cè)功能。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序設(shè)計(jì)和CPLD程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。AVR單片機(jī)采用ICC語言，為增加程序的可讀性和可移植性，采用模塊化設(shè)計(jì)。主要的程序模塊包括：主程序模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊、PWM波運(yùn)動(dòng)控制模塊、縱向運(yùn)動(dòng)測(cè)試模塊、橫向運(yùn)動(dòng)測(cè)試模塊、壽命測(cè)試模塊等。采用Quartus平臺(tái)開發(fā)CPLD，采用原理圖輸入的方式，實(shí)現(xiàn)顯示信號(hào)編碼、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)、橫向位置計(jì)算等功能。核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)能滿足對(duì)運(yùn)動(dòng)控制與檢測(cè)功能的需求，并可提高小批量生產(chǎn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。同時(shí)，本文在最后對(duì)性能改善等有較為詳細(xì)的闡述，對(duì)系統(tǒng)提出改進(jìn)方案。關(guān)鍵詞AVR，CPLD，直流步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)DESIGN AND IMPLEMENTATION OF LIFE DETECTING SYSTERM FOR NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SCANNERABSTRACTThis project aims to design and implement a systerm to dectect the life of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) scanner, also design and implement systerm for motion control and life detection. According to the requirment, this thesis provides description about how to design hardware and software to achieve specific function in detail.Object of the systerm is the bed of MRI scanner, the systerm can control and dectect life in several modes. And choose DC servo motor to drive bed move vertically, while DC stpper motor to drive it horizontally. With optical encoder disk and other hardware devices, systerm can give feedback of beds real-time displacement. The table control has two control modes, including local hand control and host long-distance control. Systerm function is realized by three parts: control function part, display function part and communication function part. In control function part, main control component is combined with AVR and CPLD, while in driven control part, select PWM way to control DC servo motor with closed-loop, open-loop to control DC stepper motor. In display function part, select LED/Keyboard driven-chip to realize communication between human and machine.To lower the interference between different voltage levels in the system and increase the stability, the hardwares are displaced on different boards. The system hardware includes control board, display board, communication board and button board. Control board includes main control board and motor driver board. Main control board includes core component combined by AVR and CPLD, voltage conversion circuit etc. and the periphery circuit. Motor driver board includes DC servo motor driver circuit, DC step motor driver circuit and over-current protection circuit. The display and button board is the man-machine conversation part. The operator uses the buttons and switches to realize the system control and detecting function.The software design of the system including two parts: the MCU part and the CPLD part. The AVR MCU part is designed in ICC language. And to enhance the readability and facility of transplant, choose modularize design.The main modules include: the main program, buttons scanning, dynamic display, PWM control, vertical motion detecting, horizonal motion detecting and life test module. Choose Quartus to design CPLD. The CPLD firmware includes the display signal coding, DC step motor driver pulse counting, and table transverse position calculation.The life detecting systerm for nuclear magnet resonance scanner can meet requirments in movement control and detecting, and it can shorten the production period, cut down cost. And this thesis will provide proposal for further development of system in detail. KEY WORDS AVR, CPLD, DC servo motor, DC step motor 目錄第一章 緒論 11.1 課題背景11.2 課題主要研究?jī)?nèi)容2第二章 系統(tǒng)綜述 42.1 控制功能模塊52.1.1 主控制部分 52.1.2 運(yùn)動(dòng)控制部分102.2 顯示功能模塊 132.2.1 數(shù)碼管142.2.2 鍵盤輸入142.2.3 LED/鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片 162.3 通信功能模塊 172.3.1 限位傳感器 182.3.2 位置檢測(cè)182.3.3 串行通信18第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)203.1 主控制部分的硬件設(shè)計(jì) 203.1.1 電源電壓轉(zhuǎn)換電路213.1.2 數(shù)字濾波電路223.2 電機(jī)控制部分的硬件設(shè)計(jì) 233.2.1 直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器233.2.2 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)253.3 速度位移顯示部分的硬件設(shè)計(jì) 303.3.1 縱向位置顯示/計(jì)數(shù)器顯示部分 303.3.2 橫向位置顯示部分303.3.3 傳感器指示燈313.4 串行通信部分的硬件設(shè)計(jì) 313.5 按鍵部分的硬件設(shè)計(jì) 313.5.1 報(bào)警電路 323.6 硬件部分的可靠性設(shè)計(jì) 33第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)364.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 364.1.1 AT90S8535開發(fā)平臺(tái)364.1.2 CPLD開發(fā)平臺(tái)364.2 AVR單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 374.2.1 AT90S8535單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)374.2.2 運(yùn)動(dòng)控制按鍵掃描程序394.2.3 直流伺服電機(jī)控制程序394.2.4 運(yùn)動(dòng)控制模塊 424.2.5 壽命測(cè)試模塊 424.2.6 橫向位置校準(zhǔn)模塊434.2.7 打印測(cè)試報(bào)告模塊444. 3 CPLD軟件程序設(shè)計(jì) 454.3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)功能464.3.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序474.4 軟件可靠性設(shè)計(jì) 48第五章 系統(tǒng)的集成與測(cè)試525.1 系統(tǒng)的測(cè)試 525.1.1 系統(tǒng)的測(cè)試軟件調(diào)試525.1 系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)論 54第一章 緒論1.1 課題背景核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI），又稱磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），又稱自旋成像（Spin Imaging），是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在外加磁場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號(hào)，用探測(cè)器檢測(cè)并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像1。人體2/3的重量為水分，如此高的比例正是磁共振成像技術(shù)能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的基礎(chǔ)。人體內(nèi)器官和組織中的水分并不相同，很多疾病的病理過程會(huì)導(dǎo)致水分形態(tài)的變化，即可由磁共振圖像反應(yīng)出來。MRI所獲得的圖像非常清晰精細(xì)，大大提高了醫(yī)生的診斷效率，避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術(shù)。由于MRI不使用對(duì)人體有害的X射線和易引起過敏反應(yīng)的造影劑，因此對(duì)人體沒有損害。MRI可對(duì)人體各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客觀更具體地顯示人體內(nèi)的解剖組織及相鄰關(guān)系，對(duì)病灶能更好地進(jìn)行定位定性。對(duì)全身各系統(tǒng)疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價(jià)值2。磁共振成像技術(shù)提供的信息量不但大于醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其他許多成像術(shù)，而且不同于已有的成像術(shù)，因此，它對(duì)疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)越性。由于它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，不會(huì)產(chǎn)生CT檢測(cè)中的偽影；不需注射造影劑；無電離輻射，對(duì)機(jī)體沒有不良影響，因而得以廣泛應(yīng)用，而隨著包括磁體、梯度子系統(tǒng)、線圈和檢查床在內(nèi)的硬件設(shè)備的發(fā)展，該技術(shù)更得以快速發(fā)展，呈現(xiàn)日新月異的變化3。由于沒有配套的運(yùn)動(dòng)控制與檢測(cè)設(shè)備，設(shè)備生產(chǎn)商在小批量實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)過程中需要將組裝后的床體和磁體做大量、反復(fù)測(cè)試，以滿足對(duì)核磁共振掃描儀的壽命及床體運(yùn)動(dòng)的特殊要求，這種組裝床體以測(cè)試的方式不僅降低了生產(chǎn)效率，還增加了生產(chǎn)成本。針對(duì)這一情況，本文以核磁共振掃描儀的床體為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)出一套獨(dú)立檢測(cè)床體壽命和控制床體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，替代腳踏板控制床體的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確控制床體運(yùn)動(dòng)。同時(shí)本系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)更多功能，如：與主機(jī)和顯示設(shè)備通信以實(shí)時(shí)記錄并顯示床體運(yùn)動(dòng)速度和位移，并可打印測(cè)試報(bào)告等。旨在提高核磁共振掃描儀床體部分壽命檢測(cè)的效率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。而系統(tǒng)的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。1.2 課題主要研究?jī)?nèi)容課題主要研究和開發(fā)核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)，按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)床體運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制，并能夠?qū)崟r(shí)記錄和顯示床體的位移與速度，同時(shí)與主機(jī)通信，將實(shí)時(shí)記錄信息打印成測(cè)試報(bào)告。根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求和功能需求，本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：1本文詳細(xì)分析了核磁共振掃描儀床體壽命檢測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制、顯示功能、通信功能、壽命測(cè)試等幾個(gè)方面需要滿足的要求，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求完成系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。2簡(jiǎn)要介紹該壽命檢測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)主要由主控制部分、電機(jī)控制部分、速度位移顯示部分、串行通信部分以及按鍵部分五部分構(gòu)成，對(duì)按鍵部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。3系統(tǒng)采用AVR系列單片機(jī)與MAX系列CPLD相結(jié)合的核心控制器，采用PWM方式控制直流伺服電機(jī)。對(duì)直流步進(jìn)電機(jī)采用驅(qū)動(dòng)器開環(huán)控制方式。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性和功率要求，選擇相匹配的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用，旨在提高控制系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。選擇了AT90S8535單片機(jī)和EPM7128SLC84-15型CPLD作為系統(tǒng)的核心控制器件。由此完成系統(tǒng)控制方案與控制算法的設(shè)計(jì)。4系統(tǒng)的硬件電路板主要包括主控制部分、電機(jī)控制部分、速度位移顯示部分、串行通信部分以及按鍵部分。主控制板以單片機(jī)和CPLD為主控元件控制核心，主要電路有位置信號(hào)濾波電路，電平轉(zhuǎn)換電路，串口通信電路，電流信號(hào)處理電路以及一些外圍輔助電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是系統(tǒng)直接連接兩臺(tái)被控電機(jī)的執(zhí)行部分，主要包括直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和過流保護(hù)電路。顯示按鍵板是系統(tǒng)中的人機(jī)對(duì)話部分，操作人員通過對(duì)操作面板上的按鍵和開關(guān)的操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和檢測(cè)功能。本文詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。5本設(shè)計(jì)將控制部分與功率部分放置在不同電路板上，旨在降低系統(tǒng)內(nèi)不同等級(jí)電壓間的相互干擾。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，將位置檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波電路再傳輸?shù)娇刂齐娐钒濉１疚暮?jiǎn)要討論了系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì)。6系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序設(shè)計(jì)和CPLD程序設(shè)計(jì)。AVR單片機(jī)采用ICC語言，為增加程序的可讀性和可移植性，AVR單片機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)。主要的程序模塊有：主程序、按鍵掃描模塊、動(dòng)態(tài)顯示輸出模塊、PWM波控制模塊、縱向運(yùn)動(dòng)測(cè)試模塊、橫向運(yùn)動(dòng)測(cè)試模塊、壽命測(cè)試模塊等。CPLD采用Quartus平臺(tái)開發(fā)，采用原理圖輸入與VHDL語言編程相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)顯示信號(hào)編碼、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)、橫向位置計(jì)算等功能。本文根據(jù)控制方案繪制軟件流程圖，編寫程序，并進(jìn)行了編譯調(diào)試。7在軟件的可靠性設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)軟件采取了的措施，包括按鍵互鎖、采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法、軟件陷阱和“看門狗”、合理安排中斷等。同時(shí)避免中斷嵌套和在中斷中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。本文討論了軟件的可靠性設(shè)計(jì)。8系統(tǒng)分別在生產(chǎn)場(chǎng)地和屏蔽間環(huán)境中，進(jìn)行調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，以此驗(yàn)證核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)的綜合性能，同時(shí)提出了部分改進(jìn)方案。第二章 系統(tǒng)綜述 核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)以床體為控制對(duì)象，使用在床體上用以代替腳踏板控制床體橫向或縱向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)需求，核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)需要滿足的功能如下：精確控制床體縱向及橫向運(yùn)動(dòng)多模式檢測(cè)床體壽命記錄和顯示床體的實(shí)時(shí)位移和速度與主機(jī)通信打印檢測(cè)報(bào)告在緊急情況下，能緊急制動(dòng)根據(jù)上述系統(tǒng)功能，可以將核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)劃分為以下三個(gè)子功能模塊：控制功能模塊、顯示功能模塊以及通信功能模塊。在詳細(xì)介紹各個(gè)子功能模塊前，首先簡(jiǎn)要介紹一下醫(yī)用核磁共振掃描儀的構(gòu)成。醫(yī)用核磁共振掃描儀主要由磁體子系統(tǒng)、梯度子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)、床體子系統(tǒng)、主機(jī)和附件等部分組成。磁體子系統(tǒng)是核磁共振掃描儀系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。它的性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的信噪比，因而在一定程度上決定著圖像的質(zhì)量。磁體子系統(tǒng)有永磁型、常導(dǎo)型、混合型和超導(dǎo)型四種。超導(dǎo)磁體的出現(xiàn)，既滿足了NMRI對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)的需要，又使磁場(chǎng)在均勻性和穩(wěn)定性等方面的性能得以改善。梯度子系統(tǒng)是指與梯度磁場(chǎng)有關(guān)的一切電路單元。它的功能是為系統(tǒng)提供線性度滿足要求的、可快速開關(guān)的梯度場(chǎng)，以便動(dòng)態(tài)地修改主磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)成像體素的空間定位。此外，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)還起著射頻激發(fā)后自旋系統(tǒng)的相位重聚作用。射頻子系統(tǒng)是MRI設(shè)備中實(shí)施射頻激勵(lì)并接收和處理RF信號(hào)的功能單元。射頻子系統(tǒng)不僅要根據(jù)掃描序列的要求發(fā)射各種翻轉(zhuǎn)角的射頻波，還要接收成像區(qū)域內(nèi)氫質(zhì)子的共振信號(hào)。一般來說，共振信號(hào)只有微伏（V）的數(shù)量級(jí)，因而射頻接收系統(tǒng)的靈敏度和放大倍數(shù)都要非常高。在MRI系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)（包括微處理器）的應(yīng)用非常廣泛。各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、微處理器，構(gòu)成了NMRI系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)。正是在這些計(jì)算機(jī)的控制下，整個(gè)系統(tǒng)的工作變得有條不紊、精確無誤。床體子系統(tǒng)是MRI系統(tǒng)中承載被檢測(cè)對(duì)象和射頻線圈的單元。它的功能是通過對(duì)床體驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)精確控制床體運(yùn)動(dòng)，保證被檢測(cè)對(duì)象準(zhǔn)確進(jìn)入最佳檢測(cè)位置，并與主機(jī)和顯示設(shè)備通信。由于被檢測(cè)對(duì)象一般為病人，床體要有很好的舒適性和安全性。床體同時(shí)具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和主機(jī)遠(yuǎn)程控制兩種控制方式4。（p12）2.1 控制功能模塊控制功能模塊是核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。該功能模塊主要包括由AVR與CPLD相結(jié)合構(gòu)成的主控制部分，以及采用開/閉環(huán)分別控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)床體橫向運(yùn)動(dòng)或縱向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制部分。2.1.1 主控制部分AVR與CPLD相結(jié)合構(gòu)成的核心控制器件，連同電平轉(zhuǎn)換電路、濾波電路等相關(guān)外圍電路共同構(gòu)成主控制部分，主控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能的關(guān)鍵部分。以下將分別簡(jiǎn)要介紹AVR與CPLD及其選型。2.1.1.1 AVR單片機(jī)單片機(jī)（又稱微處理器）是在一片硅片上集成了中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序處理器（ROM或者FLASH）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及多種I/O接口的單芯片微型計(jì)算機(jī)。AVR單片機(jī)是由Atmel公司推出的，基于RISC指令架構(gòu)的高性能、低功耗的8位單片機(jī)。高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的運(yùn)用，使得AVR單片機(jī)具有ISP（In System Prpgramming,系統(tǒng)內(nèi)編程）的功能，即使在程序運(yùn)行時(shí)，也可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新編程。AVR單片機(jī)支持匯編語言、C和Basic等多種語言編程，而采用高級(jí)語言編程使得系統(tǒng)的開發(fā)和程序的移植能有效地進(jìn)行。純單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有下列優(yōu)勢(shì)5：（1）時(shí)序控制能力強(qiáng)單片機(jī)有專門的時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，其定時(shí)單位有拍節(jié)與狀態(tài)、機(jī)器周期、指令周期，根據(jù)指令和所需的機(jī)器周期數(shù)的不同分為單字節(jié)指令單機(jī)器周期和單字節(jié)指令雙機(jī)器周期、雙字節(jié)指令單機(jī)器周期和雙字節(jié)指令雙機(jī)器周期以及三字節(jié)指令雙機(jī)器周期。單片機(jī)執(zhí)行指令是在時(shí)序電路的控制下嚴(yán)格按時(shí)序進(jìn)行工作，它從外圍設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)及控制信號(hào)都是按程序指令順次進(jìn)行控制，不存在并行機(jī)制，有力保證了整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的有序工作。（2）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單快捷單片機(jī)實(shí)際上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)包含CPU、RAM、ROM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、并行I/O口、串行口、總線、中斷控制系統(tǒng)和系統(tǒng)時(shí)鐘電路等資源，這些功能模塊已作為內(nèi)核嵌入。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，只需要了解其操作方式和指令系統(tǒng)，便可以在軟件中方便地實(shí)現(xiàn)許多模塊級(jí)功能。（3）性價(jià)比高單片機(jī)以體積小、控制功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)贏得了廣泛的應(yīng)用和好評(píng)?，F(xiàn)在，單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的各個(gè)方面，如工業(yè)自動(dòng)化、軍事裝備、通信產(chǎn)品、家用電器、消費(fèi)電子等，長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用研究使其性價(jià)比非常高，并且積累了大量的技術(shù)參考資料。而純單片機(jī)控制方式的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為：（1）端口數(shù)目有限普通單片機(jī)的引腳數(shù)目為4060左右，主要包括電源、時(shí)鐘、復(fù)位、控制信號(hào)、I/O端口等。如果用這些端口直接產(chǎn)生各外圍設(shè)備所需的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，其數(shù)目通常不能滿足要求，這樣就需要在外部添加譯碼和鎖存電路來擴(kuò)展I/O端口，由此整個(gè)系統(tǒng)將變得龐大和臃腫，設(shè)備的體積和重量也會(huì)增加。（2）系統(tǒng)硬件連線復(fù)雜，可靠性不夠以純單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)中，由于添加了許多分立元件來擴(kuò)展控制端口，這必將導(dǎo)致硬件連線復(fù)雜，信號(hào)之間的干擾增大，可靠性降低，系統(tǒng)功耗也增大。（P41）2.1.1.2 AT90S8535及其特點(diǎn)AT90S8535單片機(jī)是AT90系列AVR單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性價(jià)比較高的產(chǎn)品。它具有如下特點(diǎn)6：1. AVR RISC結(jié)構(gòu)AVR高性能、低功耗RISC結(jié)構(gòu)118條指令構(gòu)成的精簡(jiǎn)指令集，大多數(shù)為單指令周期32個(gè)8位通用寄存器工作在8MHz時(shí)具有8MIPS的性能2. 數(shù)據(jù)和非易失性程序存儲(chǔ)器8KB的在線可編程FLASH存儲(chǔ)器，可擦寫1000次以上512B的SRAM512B在線可編程EEPROM，可擦寫100000次程序加密位3. 外圍器件特點(diǎn)兩個(gè)可預(yù)分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T/C0、T/C2）其中T/C2具有輸出比較和PWM功能一個(gè)可預(yù)分頻16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T/C1），T/C1具有輸入捕獲、輸出比較和PWM功能片內(nèi)模擬比較器可編程的看門狗定時(shí)器8通道10位ADC2通道10位和1通道8位PWM脈寬調(diào)制輸出，可做D/A轉(zhuǎn)換器SPI同步接口全雙工UART4. MCU特點(diǎn)上電復(fù)位電路具有記數(shù)功能、有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC低功耗空閑省電和掉電模式16種中斷源，每種中斷源具有一個(gè)獨(dú)立的中斷向量作為相應(yīng)的中斷入口地址5. 4MHz3V20條件下的功耗工作模式：6.4mA空閑模式：1.9mA掉電模式：1A6. I/O接口和封裝32個(gè)可編程的I/O腳，每個(gè)腳都可以指定工作模式40腳PDIP/PLCC/TQFP封裝7. 工作電壓和時(shí)鐘4.0V6.0V08MHz【4】2.1.1.3 CPLDCPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。CPLD是指集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，這里所謂的“門”是等效門（Equivalent Gate），每個(gè)門相當(dāng)于4只晶體管。相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。一片CPLD就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。CPLD借助于硬件描述語言（VHDL或Verilog HDL）來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件描述語言放棄了傳統(tǒng)的從門級(jí)電路向上直至整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。它采用三個(gè)層次的硬件描述和自上至下（從系統(tǒng)功能描述開始）的設(shè)計(jì)風(fēng)格，能對(duì)三個(gè)層次的描述進(jìn)行混合仿真，從而可以方便地進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)5。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元(MC，Macro Cell)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)7。以純CPL D為控制核心的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于：（1）可靠性高CPLD采用了現(xiàn)代先進(jìn)的編程工藝和合理的內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)，可以保證較高的可靠性。另外，對(duì)于運(yùn)用VHDL輸入的設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)方式獨(dú)立于器件工藝，避免了具體的電路搭建可能造成的不可預(yù)知的信號(hào)干擾和布線不合理等問題，有利于提高系統(tǒng)性能。（2）設(shè)計(jì)效率高CPLD內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)是一些基本的宏單元或邏輯塊，每個(gè)芯片中含有幾十到上千個(gè)這樣的基本單元，芯片的端口資源也相當(dāng)豐富，用戶可用引腳可從幾十到二、三百，很容易完成以數(shù)字電路方式實(shí)現(xiàn)的各種邏輯控制功能。另外，CPLD具備真正并行執(zhí)行，其中VHDL模型中包含并行執(zhí)行的支持機(jī)制。如圖2-1所示，如果輸入集1和輸入集2同時(shí)有效，則邏輯塊1和邏輯塊2同時(shí)被激活，邏輯塊3會(huì)在邏輯塊1或者邏輯塊2的輸出有效時(shí)被激活。當(dāng)信號(hào)傳播通過邏輯塊3時(shí)，新變化的信號(hào)又可以通過邏輯塊1和邏輯塊2傳播，即信號(hào)流可以同時(shí)在這三個(gè)塊中流動(dòng)。這種并行處理能力無疑大大提高系統(tǒng)工作效率。圖2-1 步進(jìn)電機(jī)原理圖（3）集成度和保密性高CPLD設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于，它們像一張白紙，設(shè)計(jì)者可以定制系統(tǒng)功能，在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎所有的數(shù)字邏輯。這種集成化設(shè)計(jì)擺脫了引進(jìn)分立元件的限制，給系統(tǒng)的可靠性和保密性帶來了較高的保障。而純CPLD控制方式的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為：（1）本身不具備內(nèi)部寄存器CPLD并不像單片機(jī)那樣本身含有寄存器、計(jì)時(shí)器、中斷等資源，雖然可以利用其內(nèi)部邏輯單元來實(shí)現(xiàn)這些功能，但容易耗費(fèi)大量的資源。（2）時(shí)序控制能力不如單片機(jī)強(qiáng)上面提到，CPLD具備真正的并行執(zhí)行，這一方面成就了它的高效設(shè)計(jì)，但另一方面也給時(shí)序控制帶來了很多問題。如圖2-1，如果邏輯塊1和邏輯塊2中有相同的進(jìn)程敏感信號(hào)表而函數(shù)關(guān)系不同，這樣很容易導(dǎo)致邏輯塊3接收信號(hào)紊亂。因此，設(shè)計(jì)者需要充分考慮并行執(zhí)行過程中時(shí)序關(guān)系對(duì)信號(hào)的影響5。2.1.1.4 EPM7128SLC84-15及其特點(diǎn)系統(tǒng)選用Altera公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15。它有128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯陣列塊。該芯片有64個(gè)引腳可以用做通用輸入輸出引腳，對(duì)外擴(kuò)展能力強(qiáng)大。引腳與引腳之間的延時(shí)快達(dá)5ns，計(jì)數(shù)器頻率高達(dá)175.4MHz。其引腳排列如圖2-2所示：圖2-2 EPM7128SLC84-15的引腳排列8VCCIO：占用引腳Pin13、Pin26、Pin38、Pin53、Pin66、Pin78。為CPLD的I/O引腳電源電平，為5V或者3.3V。VCCINT：占用引腳Pin3和Pin43，為CPLD的內(nèi)部操作電源電平，為5V。GRN：占用引腳Pin7、Pin19、Pin32、Pin42、Pin47、Pin59、Pin72、Pin82，為芯片的電源的地線。INPUT/GCLK1：占用引腳Pin83，為CPLD的全局時(shí)鐘。INPUT/GCLRn：占用引腳Pin1，為CPLD的全局清零。INPUT/OE1和INPUT/OE2：占用引腳Pin84和引腳Pin2，為CPLD的輸出使能引腳。I/O：其余引腳均為通用的輸入輸出端口。這里需要指出的是TD1（Pin14）、TMS（Pin23）、TCK（Pin62）、TDO（Pin71），除了可以用作通用的I/O引腳外，還可以用于芯片的編程，在下載CPLD程序的時(shí)候使用。2.1.1.5 單片機(jī)與CPLD相結(jié)合根據(jù)上述單片機(jī)與CPLD的特點(diǎn)，以及以純單片機(jī)或以純CPLD為控制核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣勢(shì)，可以看成結(jié)合兩者的必要性。單片機(jī)和CPLD有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，而單片機(jī)和CPLD共同組成控制器則能夠把二者的長(zhǎng)處最大限度地發(fā)揮出來。在基于該體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，單片機(jī)擔(dān)當(dāng)控制的核心，而在CPLD中實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O端口擴(kuò)展，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，從而去掉譯碼器、鎖存器、緩沖器等分立元件，大大簡(jiǎn)化硬件連線，提高可靠性。另外，系統(tǒng)中的純數(shù)字電路，如計(jì)數(shù)和一些基本邏輯功能都可以在CPLD中集成設(shè)計(jì)。結(jié)合二者的長(zhǎng)處，基于“單片機(jī)十CPLD結(jié)構(gòu)”的系統(tǒng)具備可靠性高、功耗低、保密性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用結(jié)合AT90S8535及EPM7128SLC84-15作為系統(tǒng)的核心控制部分，旨在發(fā)揮AVR與CPLD的長(zhǎng)處，節(jié)省成本。2.1.2 運(yùn)動(dòng)控制部分系統(tǒng)需要控制床體在橫向及縱向運(yùn)動(dòng)，具體說來，在運(yùn)動(dòng)控制方面系統(tǒng)需要滿足的要求是：（1）控制床體縱向/橫向運(yùn)動(dòng)，且縱向運(yùn)動(dòng)方面，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高速和低速兩種狀態(tài)；（2）設(shè)置床體橫向運(yùn)動(dòng)的極限點(diǎn)，即：當(dāng)床體的縱向位置相對(duì)于起點(diǎn)大于1200mm時(shí)，禁止床體橫向運(yùn)動(dòng)；（3）床體橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、方便的將床體停留在中心位置；（4）床體縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)的位移精度不低于1mm（位置精度是指系統(tǒng)顯示位置與實(shí)際位置之差）；（5）當(dāng)出現(xiàn)緊急或意外情況時(shí)，系統(tǒng)能夠緊急制動(dòng)；（6）床體運(yùn)動(dòng)應(yīng)體現(xiàn)舒適性和安全性；根據(jù)以上要求，這套核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)選用直流伺服電機(jī)和直流步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能。同時(shí)，對(duì)于壽命檢測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)方面的控制和測(cè)試功能還需要滿足下列需求：（1）能夠使床體自動(dòng)運(yùn)行規(guī)定的測(cè)試動(dòng)作（規(guī)定動(dòng)作：?jiǎn)为?dú)縱向模式測(cè)試；單獨(dú)橫向模式測(cè)試；縱向和橫向間隔一次模式測(cè)試；復(fù)雜運(yùn)動(dòng)測(cè)試）；（2）必須保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和壽命要絕對(duì)高于床體的使用壽命；（3）保證壽命測(cè)試計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，而且在系統(tǒng)斷電時(shí)保證數(shù)據(jù)安全；系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分則由這直流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部分以及直流步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部分兩部分組成。以下將分別介紹這兩種電機(jī)以及相應(yīng)的控制技術(shù)。2.1.2.1 步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件，它將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是其控制系統(tǒng)中的一部分。而步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)整體的不可分割的兩部分，統(tǒng)稱為“步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單元”開放式運(yùn)動(dòng)控制己成為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展方向，步進(jìn)電機(jī)可在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)9。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由其組成的開環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠。因此，被廣泛的運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、計(jì)算裝置、自動(dòng)記錄儀、工業(yè)機(jī)器人、無損檢測(cè)等系統(tǒng)及裝置中。單極性 (unipolar) 和雙極性 (bipolar) 是步進(jìn)電機(jī)最常采用的兩種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。單極性驅(qū)動(dòng)電路使用四顆晶體管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示10 ：圖2-3單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2-4所示，使用八顆晶體管來驅(qū)動(dòng)兩組相位。圖2-4：雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.1.2.2 伺服電機(jī)及伺服系統(tǒng)伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，是自動(dòng)控制裝置中被用作執(zhí)行元件的微特電機(jī)，其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器將反饋信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)器，對(duì)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，從而調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）11。伺服系統(tǒng)(Servo System)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種，它用來控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角(或位移)，使其能自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。它通常是具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場(chǎng)合也可以用開環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)其功能。在實(shí)際應(yīng)用中一般是以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等12。伺服控制技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務(wù)最廣泛的一個(gè)分支?，F(xiàn)代伺服控制技術(shù)的主要特征為：（1）全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)在伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。（2）各種伺服控制元件與線路向著集成化、功能化、模塊化、智能化、便于計(jì)算機(jī)控制的方向發(fā)展。（3）伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)及自診斷技術(shù)伴隨著系統(tǒng)功能、性能復(fù)雜化程度的升級(jí)而受到人們的普遍重視。伺服系統(tǒng)的組成包括調(diào)節(jié)器、檢測(cè)裝置、放大裝置和執(zhí)行部件，為使各部件之間有效地組配和使系統(tǒng)具有良好的工作品質(zhì)，一般還有信號(hào)轉(zhuǎn)換線路和補(bǔ)償裝置，以及相應(yīng)的能源設(shè)備、保護(hù)裝置、控制設(shè)備和其它輔助設(shè)備。根據(jù)上述特點(diǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要完成串行數(shù)據(jù)通信、信號(hào)采集、功率驅(qū)動(dòng)等處理任務(wù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13系統(tǒng)不必選用專門的A/D芯片，選用AT90S8535單片機(jī)內(nèi)置的8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。并采用電機(jī)控制常用的光電編碼器來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的編碼，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)速度等信號(hào)的采樣。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種廣泛使用的數(shù)字傳感器，它將測(cè)到的角位移轉(zhuǎn)換為脈沖形式的數(shù)字信號(hào)輸出。光電編碼器包括絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器兩種。核磁共振掃描儀壽命檢測(cè)系統(tǒng)采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)。由于單片機(jī)本身不具備PWM方式的驅(qū)動(dòng)能力，因此系統(tǒng)使用場(chǎng)效應(yīng)管搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，即雙極性可逆驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。H橋驅(qū)動(dòng)電路的原理如圖2-6所示。圖2-6 H橋雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通，而Q2和Q3截止時(shí)，電流從左到右通過電機(jī)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如圖中實(shí)線所示。當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4截止時(shí)，電流從右到左通過電機(jī)，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖中虛線所示。當(dāng)Q2、Q4導(dǎo)通，Q1、Q3截止時(shí)，電機(jī)制動(dòng)。由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有反相電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)停止對(duì)電機(jī)供電時(shí)，反相電動(dòng)勢(shì)并不會(huì)立即消失，如果此時(shí)將電機(jī)的兩端短接，電機(jī)就會(huì)迅速停止。圖示的四個(gè)快恢復(fù)二極管，其作用是保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管，防止因電機(jī)在突然反相瞬間產(chǎn)生的峰值很高的反相電壓而造成管子反相擊穿，分別位于四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的旁邊14。2.2 顯示功能模塊顯示功能模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話功能的模塊，該功能模塊可讓檢測(cè)者直觀準(zhǔn)確地得知床體的精確位置與實(shí)時(shí)速度，同時(shí)，也可以直接得到床體按照預(yù)定模式已經(jīng)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。根據(jù)需求，系統(tǒng)需要在顯示方面滿足下列要求：（1）能夠以毫米為單位顯示床體當(dāng)前的縱向位置；（2）能夠以毫米為單位顯示床體當(dāng)前的橫向位置，并且以橫向中心位置為零點(diǎn)，區(qū)分左右；（3）能夠顯示并記錄床體當(dāng)前壽命測(cè)試的計(jì)數(shù)；顯示功能模塊由數(shù)碼管、輸入鍵盤以及驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成，下文將分別介紹這三部分的構(gòu)成。2.2.1 數(shù)碼管數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)兩類15。（1） 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng),是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多。（2） 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制。根據(jù)上述驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，考慮到節(jié)約I/O口，本系統(tǒng)選用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)的方式。2.2.2 鍵盤輸入檢測(cè)者通過鍵盤輸入給出檢測(cè)指令，因而鍵盤輸入是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能的重要部分。在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用的鍵盤有以下三種類型：獨(dú)立式鍵盤、矩陣掃描式鍵盤、以及PS/2接口鍵盤。以下將簡(jiǎn)要介紹這三種類型的鍵盤及其各自的原理16。1. 獨(dú)立式按鍵圖2-7為獨(dú)立式按鍵的結(jié)構(gòu)，如圖所示按鍵一腳通過電阻接電源端或者地，而另一腳接單片機(jī)的I/O口。獨(dú)立式按鍵的原理是：按鍵的通斷給出剛好相反的電平，通過判斷電平高低即可判斷按鍵的狀態(tài)。因而通過檢測(cè)I/O口的電平狀態(tài)就可以判斷哪個(gè)按鍵被按下了。圖2-7 獨(dú)立式鍵盤的結(jié)構(gòu)原理圖獨(dú)立式鍵盤的優(yōu)點(diǎn)在于：按鍵電路配置靈活，同時(shí)按鍵狀態(tài)識(shí)別簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)是：每一個(gè)