基于C8051F350冷陰極熒光觀片儀調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
    隨著電子計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)代化、智能化研究越來越受到人們的關(guān)注，大量的科學(xué)家及工程技術(shù)人員都積極地投入到這一場醫(yī)療設(shè)備的革命中，其中，對各種類型射線底片觀片設(shè)備的研究也是醫(yī)療設(shè)備開發(fā)的重點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的觀片設(shè)備亮度低、均勻性差、容易引起視疲勞等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化醫(yī)學(xué)診斷的要求。利用CCFL開發(fā)的觀片儀具有結(jié)構(gòu)簡單、燈管表面溫升小、燈管表面亮度高、使用壽命長、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點(diǎn)。
    本文介紹一種以C8051F350單片機(jī)作為主控芯片的全自動(dòng)CCFL觀片儀亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化后，該系統(tǒng)能夠使觀片儀的背景照明光強(qiáng)與環(huán)境光強(qiáng)比值保持最佳，觀測者看到的射線底片內(nèi)容最為清晰而且不容易產(chǎn)生視覺疲勞。觀片儀亮度與環(huán)境光強(qiáng)的比值最初可由觀測者根據(jù)自己的具體情況設(shè)定。該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)觀片儀的自動(dòng)開關(guān)，插入射線底片后自動(dòng)點(diǎn)亮觀片儀，當(dāng)系統(tǒng)閑置時(shí)，觀片儀會(huì)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)入省電模式，延長了冷陰極燈管的使用壽命。

1 CCFL觀片儀調(diào)光原理
    基于CCFL的觀片儀是一種由冷陰極高頻光源通過液晶背光技術(shù)(LCD)產(chǎn)生大面積的高亮度、均勻性好、噪聲低的環(huán)保節(jié)能設(shè)備。采用CCFL背光照明技術(shù)，將線光源轉(zhuǎn)變?yōu)榱炼染鶆虻拿婀庠?。CCFL發(fā)光強(qiáng)度由DC／AC逆變器控制，通過改變逆變器控制電壓從而改變CCFL的發(fā)光強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)環(huán)境光強(qiáng)變化后觀片儀能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)到最佳觀測亮度，利用光電傳感器動(dòng)態(tài)采集環(huán)境光強(qiáng)，由C8051F350對信號(hào)進(jìn)行A／D化，根據(jù)一定的算法處理后輸出CCFL控制的電壓，達(dá)到自動(dòng)調(diào)光的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)
    觀片儀控制系統(tǒng)主要由自動(dòng)開關(guān)、調(diào)光控制、通信接口三部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用C8051F350為主控芯片，紅外對射管實(shí)現(xiàn)觀片儀的自動(dòng)開關(guān)。單片機(jī)通過實(shí)時(shí)采集環(huán)境光強(qiáng)和背景照明光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)觀片儀亮度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。通信部分則采用RS 232接口方式，主要完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置以及固件程序的在系統(tǒng)升級(ISP)。

2．1 紅外對射管
    觀片儀自動(dòng)開關(guān)由紅外對射管傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)紅外對射管之間插入射線底片后，紅外接收管則輸出信號(hào)，程序檢測到該信號(hào)從而打開CCFL；當(dāng)系統(tǒng)閑置時(shí)，觀片儀則自動(dòng)熄滅。
    紅外對射管選擇霍尼韋爾公司的SEP8505-002，其工作波長為935nm，材料為GaAs(砷化鎵)，發(fā)光功率為7．8mW／cm(流明)，光譜寬度為80 nm，正向壓降為1．5V，輸出電流為20 mA。與其配對的紅外接收管為SDP8405—002，功率為70 mW，工作方式為三極管射極跟隨輸出方式。光電接收管的輸出飽和電流為0．4 mA，CE極的飽和電壓為0．4V，紅外檢測電路見圖2。

2．2 光強(qiáng)信號(hào)采集與調(diào)理
    光電傳感器在0～50 000 lux范圍的照度下產(chǎn)生O～412 mV的電壓，而單片機(jī)的A／D輸入電壓范圍為O～3．3V，因此系統(tǒng)采用LM324對信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，其放大電路見圖3。為實(shí)現(xiàn)將0～412 mV的電壓放大到O～3．3V的范圍，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為8，放大倍數(shù)由式(1)確定：
    Av=1+R24／R23 (1)

    確定R23選擇10 kΩ電阻，R24選擇80 kΩ電阻。LM324由四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放組成，為了提高采集光強(qiáng)的準(zhǔn)確度，分別用兩個(gè)光電傳感采集CCFL光強(qiáng)，兩個(gè)采集環(huán)境光強(qiáng)，對這四路分別放大后直接輸入到C8051F350的高精度AD轉(zhuǎn)換通道0～3進(jìn)行A／D化處理。
2．3 主控部分
    主控芯片采用了美國Silicon Laboratories公司的混合信號(hào)ISP FLAsH微控制器C8051F350，其內(nèi)部有一個(gè)全差分24位高精度Sigma-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC具有片內(nèi)校準(zhǔn)功能，保證了觀片儀亮度的高精度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用模擬和數(shù)字分開供電，減少了數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的干擾。C8051F350主要控制觀片儀的自動(dòng)開關(guān)、光信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換與處理、控制信號(hào)的輸出、RS 232串口通信。
2．4 控制信號(hào)放大
    C8051F350內(nèi)部有兩個(gè)8位電流方式數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(IDAC)，本系統(tǒng)選用IDACO，能實(shí)現(xiàn)O～255范圍的微調(diào)，保證了系統(tǒng)的精度要求。IDAC0的最大輸出電流可以有四種設(shè)置：O．25 mA，O．5 mA，1 mA和2 mA。設(shè)置IDAC0的滿量程輸出為0．5 mA，通過2kΩ電阻將電流轉(zhuǎn)化為電壓，電壓最大可達(dá)1V，再經(jīng)過LM358將電壓放大到0～6V后輸出，從而實(shí)現(xiàn)CCFL的高精度調(diào)光設(shè)計(jì)，如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理
    本系統(tǒng)采用2．6×380型號(hào)的CCFL和L88亮度計(jì)，測量CCFL在O～6 V之間不同控制電壓下的亮度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表中亮度為多次測量的平均值。為實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)流暢的調(diào)光，避免傳統(tǒng)查表方式存在的精確度差占用存儲(chǔ)空間多的缺點(diǎn)，這里采用公式法計(jì)算輸出控制電壓。根據(jù)表1，利用最小二乘法求解方程ATAC=ATy，由Matlab數(shù)學(xué)軟件擬合出CCFL控制電壓與亮度的關(guān)系的表達(dá)式為：
    U=-10．995 8+3．586 1B-0．233 6B2+O．004 3B3 (2)
    式中：U為控制電壓值，B為對應(yīng)的亮度值。

4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)程序。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)下位機(jī)最佳對比度等必要參數(shù)的設(shè)置，采用Visual C++6．0編寫。下位機(jī)固化程序主要包括觀片儀自動(dòng)開關(guān)模塊程序、CCFL發(fā)光電壓控制模塊程序、RS 232通信模塊。采用模塊化設(shè)計(jì)方式，所有模塊采用中斷驅(qū)動(dòng)方式，提高了系統(tǒng)的效率。
    下位機(jī)程序主要配合硬件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)光控制。調(diào)光控制程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CCFL光強(qiáng)，按照傳統(tǒng)的方式是將電壓與對應(yīng)的亮度關(guān)系對照表下載到下位機(jī)中，調(diào)光時(shí)通過查表找出最接近的值。本系統(tǒng)調(diào)光根據(jù)控制電壓和亮度的函數(shù)關(guān)系通過計(jì)算獲得控制電壓，節(jié)省了下位機(jī)的存儲(chǔ)空間，同時(shí)提高了調(diào)光的速度并保證了CCFL發(fā)光強(qiáng)度變化的連續(xù)性。調(diào)光控制的具體實(shí)現(xiàn)由C8051F350自帶A／D對當(dāng)前采集的背景照明光強(qiáng)和環(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，背景照明和環(huán)境光強(qiáng)的比值與設(shè)定置值進(jìn)行比較，如果大于設(shè)定值則說明環(huán)境光變暗，此時(shí)需要將CCFL調(diào)暗到一定亮度，如果小于設(shè)定值則說明環(huán)境光變強(qiáng)，則需要提高CCFL的發(fā)光強(qiáng)度。CCFL的控制電壓可由式(2)計(jì)算得出，C8051F350將控制信號(hào)輸出調(diào)節(jié)觀片儀背景照明光強(qiáng)。

5 結(jié) 語
    由實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)觀片儀的自動(dòng)開關(guān)，同時(shí)能有效地保證當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化后觀片儀亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，并使得背景照明光強(qiáng)與環(huán)境光強(qiáng)的比值達(dá)到最佳。