X射线诊断设备运动控制系统设计与实现

摘要

随着医疗信息技术的高速发展和国内医学影像的快速进步，极大地推动了医疗设备的运动控制技术的发展。嵌入式运动控制技术对实现医疗影像设备网络化、系统化、精确化、实时化起着至关重要作用。通过通讯协议进行数据传输，实现电机各种运动功能已经成为主要的控制方式。因此本文设计了基于uC/OS操作系统的运动控制子系统。
　　首先，本文对运动控制系统发展现状进行了介绍，同时对其实现的意义作了说明。然后比较详细地对运动控制子系统组成原理和主要解决的问题进行了阐述。
　　其次，介绍了运动控制子系统的硬件信号处理部分和软件通讯部分。此次设计主要包括:一方面，基于uC/OS-Ⅱ软件系统的X射线诊断设备运动控制子系统控制板的设计与实现。运动控制板以C8051F121单片机为核心控制中心，CPLD作为I/O接口的扩展，通过单片机内部嵌入uC/OS-Ⅱ系统，借助外围电路搭建，对输入信息进行处理计算得到输出结果，实现与上位机进行I/O通讯传输;同时通过控制台给出的运动控制信号，控制X射线诊断设备床面板电机横向与纵向的运动，压迫器电机的压力选择运动，床体倾斜运动，实时采集各运动位置。另一方面，通过X射线诊断设备的限位开关、编码器等反馈器件，判断当前床体的位置。这里，电机运动控制采用变频器和伺服器通讯协议方式进行控制，实现上位控制器对多台变频器、伺服器参数控制。大大简化了硬件设计的复杂程度，降低了电路板板卡的成本并提高了系统的可靠性。由于X射线诊断设备采用变频器和伺服器的自身RS485、RS422通讯方式，显著减少了系统间的连线且具有较高的抗干扰能力。单片机将采集到的电机运动数据传入到上位机中，完成对各种运动控制功能的监控，保护患者的安全，实现基本的床体运动故障诊断，并从软件层面上实现对床体运动的保护。
　　最后，本文通X射线诊断设备上对运动控制子系统控制板进行了实际调试，通过系统EMC测试后，验证了本文所涉及的运动控制子系统控制板的可靠性。
　　本文对完成的实际工作以及未来的发展方向进行了概括和总结，同时也提出了目前系统存在的不足之处以及需要改进的方面。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 项目背景

1．2 数字化X线机的系统结构

1．3 X线机运动控制子系统的发展现状

1．3．1 运动控制子系统的类型

1．3．2 运动控制子系统的组成

1．3．3 运动控制子系统的发展趋势

1．4 本课题的主要工作及需要解决的关键问题

第2章 运动控制子系统整体方案设计

2．1 运动控制子系统的功能设计

2．2 运动控制子系统控制板的功能设计

2．2．1 运动控制子系统控制板的功能划分

2．2．2 运动控制子系统控制板的工作原理

2．3 本章小结

第3章 运动控制子系统控制板硬件设计

3．1 MCU芯片的选择与外围电路的设计

3．1．1 MCU芯片选择

3．1．2 MCU外围电路的设计

3．1．3 电源供电及转换电路

3．1．4 时钟电路

3．1．5 存储电路设计

3．2 逻辑控制电路

3．2．1 CPLD芯片电路

3．2．2 CPLD的I／O口扩展电路

3．3 通讯接口电路

3．3．1 串行转换通讯接口电路

3．3．2 RS422通讯接口电路

3．3．3 RS485通讯接口电路

3．4 交流伺服电机控制电路

3．4．1 交流电机的控制电路实现

3．4．2 交流电机位置反馈电路设计

3．4．3 模拟量输入电路设计

3．4．4 数字量输入电路设计

3．4．5 数字量输出电路设计

3．5 直流电机控制电路的实现

3．5．1 直流电机驱动芯片选择

3．5．2 直流电机控制电路的设计

3．6 运动控制子系统控制板的PCB设计

3．6．1 运动控制子系统控制板的信号定义

3．6．2 PCB设计时需注意的抗干扰问题

3．6．3 成品的运动控制子系统控制板

3．7 本章小结

第4章 运动控制子系统控制板软件设计

4．1 软件开发平台概述

4．2 运动控制子系统软件程序设计

4．2．1 软件系统结构设计

4．2．2 运动控制子系统任务划分

4．2．3 运动控制子系统任务优先级设置

4．2．4 运动控制子系统任务说明

4．3 uC／OS Ⅱ软件程序设计

4．3．1 主CPU控制程序设计

4．3．2 起始任务控制程序设计

4．4 电机运动控制程序设计

4．4．1 仲裁任务程序设计

4．4．2 电机速度校正程序设计

4．4．3 电机运行处理程序设计

4．4．4 串口中断程序设计

4．5 床体倾斜运动控制系统研究

4．5．1 电机运动要求简介

4．5．2 床体倾斜运动控制设计方案

4．5．3 变频器通信控制程序设计

4．6 立柱横向电机运动控制系统研究

4．6．1 电机运动要求简介

4．6．2 立柱横向运动控制设计方案

4．6．3 伺服器通信控制程序设计

4．7 压迫器电机运动控制系统研究

4．7．1 压迫器电机运动要求简介

4．7．2 压迫器电机运动设计方案

4．8 本章小结

第5章 运动控制子系统控制板调试与测试

5．1 运动控制子系统的调试

5．1．1 运动控制系统各电机功能调试

5．1．2 单片机控制代码的调试

5．2 运动控制子系统的测试

5．2．1 电磁辐射测试

5．2．2 运动性能的测试

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士期间参与的项目