醫(yī)療智能照明系統(tǒng)控制技術(shù)研究

醫(yī)療智能照明系統(tǒng)控制技術(shù)研究

摘要：結(jié)合工程項目分析了用戶的需求和現(xiàn)場條件，詳細介紹了智能照明控制技術(shù)在醫(yī)療設備設計中的具體選擇和實施。為了使照明系統(tǒng)獲得適宜的照度，采用自動光圈進行調(diào)光。為了使攝像系統(tǒng)在工作臺上能自動實現(xiàn)滾動運動及三維調(diào)整，使用了二維和三維２個工作臺。根據(jù)智能控制系統(tǒng)的工作要求，選擇了適宜的步進電機、運動控制卡、高靈敏度和高反應速度的傳感器、視頻信號采集卡，構(gòu)建了各功能模塊。測試系統(tǒng)用ＶＢ６．０開發(fā)，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ標準界面樣式，完成了自動采集、分析、校準等功能。關鍵詞：照明系統(tǒng)；智能控制；ＶＢ６．０；測試系統(tǒng)隨著科技的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，對機電一體化技術(shù)提出了許多新要求，特別是節(jié)能技術(shù)已成為研究工作者的主題。對于照明系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，或利用節(jié)能技術(shù)來實現(xiàn)建筑節(jié)能等都是設計中重點考慮的內(nèi)容。智能照明系統(tǒng)控制技術(shù)的研究具有一定的現(xiàn)實意義。采用智能化設計后，智能控制系統(tǒng)可根據(jù)實際需求對照明設備的開啟時間和亮度級別進行設置，合理利用資源，避免浪費。１醫(yī)療智能控制技術(shù)應考慮的問題智能控制技術(shù)為節(jié)能提供了行之有效的技術(shù)手段。對于一個實際的控制項目，應該分３個方面來考慮節(jié)能：前期設計和施工的經(jīng)濟性；系統(tǒng)運行中的低能耗性；工程維修維護中的方便性和易操作性。機電一體化系統(tǒng)中的微機軟件、硬件稱之為智能組成要素，在這種控制系統(tǒng)中，根據(jù)計算機所執(zhí)行的功能，可采用單片機、可編程控制器、微機來完成不同的處理功能。本文的醫(yī)療智能無影照明系統(tǒng)采用單片機控制。為了使照明系統(tǒng)獲得適宜的照度，采用自動光圈進行調(diào)光，以控制光通量的多少。程序用ＶＢ６．０開發(fā)，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ標準界面樣式，根據(jù)測試內(nèi)容的不同，給出相應的測試環(huán)境和輸入量。２醫(yī)療智能照明系統(tǒng)２．１醫(yī)療智能照明系統(tǒng)基本的機械結(jié)構(gòu)圖１為醫(yī)療智能照明系統(tǒng)的示意圖，其中自動調(diào)光系統(tǒng)安裝在二維調(diào)整工作臺上的定位座內(nèi)，并用圓螺母固定，松開定位座上的鎖緊手柄，自動調(diào)光系統(tǒng)可以沿軸心轉(zhuǎn)動。電視攝像系統(tǒng)安裝在三維調(diào)整平臺上，通過三維調(diào)整平臺的運動使電視攝像系統(tǒng)與自動調(diào)光系統(tǒng)的位置相匹配。自動光圈進行調(diào)光的工作原理如圖２所示。景物的散射光經(jīng)過光學鏡頭、可變光圈，成像于ＣＣＤ攝像機的感光芯片上，ＣＣＤ將光信號轉(zhuǎn)換形成電信號后進行處理，輸出全視頻信號；該信號一方面可以顯示，另一方面經(jīng)放大、箝位，被送入積分放大器，積分后的結(jié)果與參考電平進行比較，用于確定光圈改變的方向和大??；當積分信號低于標準電平時，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，帶動光圈朝增大通光孔徑的方向改變，否則向減小通光孔徑的方向改變，達到調(diào)節(jié)像面照度的目的，以保證獲得清晰的圖像。２．２醫(yī)療智能照明系統(tǒng)工作過程三維調(diào)整平臺由二維工作臺與滾動工作臺兩部分組成。它的主要功能是把電視攝像系統(tǒng)固定在工作臺的臺面上，分別轉(zhuǎn)動二維工作臺上的２個調(diào)節(jié)手柄，使攝像系統(tǒng)能夠上、下及左、右進行二自由度移動，移動范圍均為±１５ｍｍ。通過調(diào)整滾動工作臺上的調(diào)節(jié)手柄可以使攝像系統(tǒng)實現(xiàn)滾動運動，２個工作臺配合可以實現(xiàn)攝像系統(tǒng)的三維調(diào)整。二維調(diào)整工作臺（圖１中的４）是由定位座、墊板、移動滑塊、方位調(diào)節(jié)手柄、俯仰調(diào)節(jié)手柄、底板等組成，能夠進行方位調(diào)節(jié)與俯仰調(diào)節(jié)。工作臺的方位和俯仰調(diào)節(jié)角度都為１５°，承載５０ｋｇ。工作臺上方與定位座連接。自動調(diào)光系統(tǒng)能夠在定位座內(nèi)轉(zhuǎn)動，定位座上設有一個鎖緊手柄，可以用鎖緊手柄把調(diào)光系統(tǒng)鎖緊，使調(diào)光系統(tǒng)完全緊固在二維工作臺上。使用時，轉(zhuǎn)動二維調(diào)整工作臺的方位調(diào)節(jié)手柄，推動二維工作臺臺面與定位座移動，帶動調(diào)光系統(tǒng)向需要的位置進行轉(zhuǎn)動。當需要沿軸心轉(zhuǎn)動時，松開定位座上的鎖緊手柄，按所需的角度轉(zhuǎn)動后鎖緊定位座上的鎖緊手柄，使光學系統(tǒng)固定。２．３系統(tǒng)工作要求（１）三維調(diào)整平臺轉(zhuǎn)動的范圍：方位轉(zhuǎn)動±３°，俯仰轉(zhuǎn)動±３°，滾動±４°，上下移動±１５ｍｍ，左右移動±１５ｍｍ。

（２）光學系統(tǒng)的視場物鏡、復眼透鏡、聚光鏡、反光鏡安裝后同軸度不大于０．１ｍｍ。

（３）國際測試圖的定位精度不大于０．１ｍｍ。３智能控制系統(tǒng)主要硬件的選擇３．１步進電機和驅(qū)動器的確定驅(qū)動電機選擇５７系列百格拉三相混合式步進電機ＶＲＤＭ３６４／ＬＨＡ，該電機采用三相正弦驅(qū)動方式，力矩大、轉(zhuǎn)速高、可達2000r/min，低速無振動。細分后角度分辨率為０．０３６°／步。電機通過絲杠帶動楔型中性透光片在導軌上運行，電機旋轉(zhuǎn)１圈絲杠直線行程為６ｍｍ，因此電機１步是０．０３６°，通過傳動，楔型中性透光片向前移動距離為０．６μｍ，兩方向相對運動為１．２μｍ，可見楔型中性透光片的定位分辨率是足夠高的。當電機全速運行時，楔型中性透光片移動速度可達到２００ｍｍ／ｓ，楔型中性透光片的運動范圍光學設計是０～１００ｍｍ的運動范圍，那么以最快速度運行時全程需要的時間是０．５ｓ，可以滿足最快調(diào)光時間的要求。三相步進驅(qū)動器為Ｄ９２１，該三相步進驅(qū)動器工作電壓為直流１８～４０Ｖ，最大驅(qū)動電流為５．８Ａ。３．２運動控制卡的選擇選擇凌華ＰＣＩ－８１３２兩軸步進伺服運動控制卡（基于ＰＣＩ總線的２軸運動控制卡）。該卡特點：３２位ＰＣＩ總線，脈沖最大頻率２．４ＭＨｚ，可以同時完全獨立地操縱２個步進電機，可以進行加速、減速編程；輸入輸出Ｉ／Ｏ接口都是光電隔離；編程容易，操作使用方便?？刂瓶ǖ倪x擇主要看是否滿足需要的脈沖頻率，步進電機最快速運動時（２０００ｒ／ｍｉｎ）需要３３３．３３ｋＨｚ的脈沖頻率，此控制卡足以滿足要求，同時它還具有多路數(shù)字信號的輸入功能，可以用來接位置傳感器的電平信號，控制楔型中性透光片的復位。３．３高靈敏、高反應速度的照度傳感器選擇選擇照度傳感器的型號是昆侖工控的ＺＤ０２－ＶＢ，量程為０．０１～１００００Ｌｘ，測量精度是±４％，０～１０Ｖ的電壓輸出，穩(wěn)定度為１．５％，響應時間為１．５ｍｓ，能滿足設計要求。ＺＤ型照度傳感器采用對弱光也有較高靈敏度的硅光敏探測器作為傳感器；該傳感器具有測量范圍寬、線形度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠等特點，適用于各種場所，尤其適用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等場所，采用光敏探測器，將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)換為標準信號輸出。３．４視頻信號采集卡的確定硬件的設計需完成輸入圖像的比例縮放（ｓｃａｌｅ）、裁剪（ｃｌｉｐ）和色度空間變換（ｃｏｌｏｒｓｐａｃｅｃｏｎｖｅｒｔｉｏｎ）。大恒ＤＨ－ＣＧ４００圖像采集卡具有標準的ＰＡＬ、ＮＴＳＣ彩色／黑白視頻輸入。輸入方式：６路ＣＶＢＳ輸入；３路Ｙ／Ｃ輸入；六選一模擬視頻輸出?？蛇B場、連幀、間隔幾場或者幾幀等多種方式采集圖像；通過填寫屏蔽（ｍａｓｋ）模板，可實時顯示和存儲任意形狀的輸入圖像。所以選擇該視頻信號采集卡可以滿足輸入圖像的大小、位置的靈活設置等。４醫(yī)療智能照明控制軟件構(gòu)建如圖３所示，軟件根據(jù)功能進行模塊劃分，包括主控程序模塊、照度控制模塊、模擬量采集與輸出模塊、圖像采集存儲模塊和圖像處理模塊。主控程序通過模擬量采集與輸出模塊對直流光源進行微調(diào)控制，通過模擬量采集卡獲得的照度值對照度進行調(diào)節(jié)。照度的控制是通過照度控制模塊實現(xiàn)的，設置的目標照度通過照度擬合公式轉(zhuǎn)化，計算得到需要的電機的行程，電機控制模塊通過驅(qū)動器驅(qū)動電機到達目標位置，完成照度控制。圖像采集存儲模塊負責采集電視攝像機生成的視頻圖像，實時進行存儲。圖像處理模塊完成采集圖像的部分處理工作，給出相應的分析數(shù)據(jù)與測試結(jié)果。５醫(yī)療智能照明系統(tǒng)測試的構(gòu)建５．１界面設計軟件設計的構(gòu)建界面，采用ＶＢ６．０開發(fā)，使用Ｗｉｎｄｏｗｓ界面樣式，根據(jù)測試對象的不同，確定相應的測試環(huán)境和輸入量。為了滿足光源的穩(wěn)定性要求，對照度校準功能進行了設計。系統(tǒng)的設置要進行照度校準，校準功能設計成自動完成，校準達到精度要求后，自動存儲校準結(jié)果，下次系統(tǒng)啟動將重載這個結(jié)果，校準完成將有相應的提示。５．２測試說明５．２．１最高照度測試選擇灰度圖，然后設置照度變化的范圍，選中“光強變化匹配采集”，這個按鈕的功能是只在測試開始的時候才開始進行采集，測試結(jié)束則停止采集；采集的圖像存儲到一個指定的硬盤目錄下，測試的時間可以設置成超出照度變化時間的范圍，比如３ｓ，這樣是為了能夠得到更精確的結(jié)果；反復重復試驗，可得出最高照度值。５．２．２調(diào)光時間測試在輸入框內(nèi)輸入最小照度、最大照度和調(diào)光用時間后，選擇執(zhí)行變化的方式（有３種變化方式：最小到最大，最大到最小，連續(xù)變化）；執(zhí)行測試前可以選擇“光強變化匹配采集”按鈕，這樣每次測試都會采集存儲圖像。如果人眼進行判斷就不需要采集圖。５．２．３視頻分辨率測試該測試只需要選擇分辨率測試圖，設置測試的照度條件，然后開始測試。選中“圖像采集”會采集測試過程中的圖像，并且記錄采集的幀數(shù)。分辨率測試要進行人工分辨率判斷。５．２．４電視灰度測試選擇灰度圖后，測試方法同上，測試一定要采集圖像。測試結(jié)束后，軟件可自動對采集到的圖像進行分析。分析的步驟是：先打開圖像并選中要分析的區(qū)域，之后軟件對該區(qū)域中各像素點的灰度值進行計算，完成后給出該區(qū)域的灰度等級結(jié)果。６結(jié)束語本文所研究的醫(yī)療智能照明系統(tǒng)控制便捷，操作簡單，系統(tǒng)自動功能強，利用單片機控制醫(yī)療智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)實際需求對照明的開啟時間和亮度級別進行設置，合理利用資源，并為節(jié)能提供了行之有效的技術(shù)手段。采用自動光圈進行調(diào)光，控制光通量的多少，使照明系統(tǒng)獲得了適宜的照度。程序用ＶＢ６．０開發(fā)，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ標準界面樣式，使控制手段和顯示過程更加簡捷。測試結(jié)束后，軟件可自動對采集到的圖像進行分析、計算，完成后給出該區(qū)域的灰度等級結(jié)果，簡化了測試流程。參考文獻（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

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