醫(yī)用自動(dòng)洗片機(jī)控制器的研制?

【摘　要】　介紹了基于AT89C52單片機(jī)及外圍芯片設(shè)計(jì)的醫(yī)用X－射線自動(dòng)洗片機(jī)控制器。給出了洗片機(jī)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)介紹了溫度檢測(cè)模塊及CPLD在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：單片機(jī)，X-射線自動(dòng)洗片機(jī)，溫度檢測(cè)，CPLD

1　引　言

　　洗片機(jī)是各醫(yī)院影像科的必需設(shè)備。醫(yī)院影像科每天要沖洗大量的X－射線透射膠片，工作量大，且洗片操作有一定難度，對(duì)操作人員專業(yè)技術(shù)要求高，另外，洗片時(shí)化學(xué)藥液對(duì)人體有傷害。因此，目前醫(yī)院大多采用醫(yī)用自動(dòng)洗片機(jī)。進(jìn)口的自動(dòng)洗片機(jī)效果好，但價(jià)格昂貴。本文介紹了一種自行研制的由微型機(jī)控制的醫(yī)用自動(dòng)洗片機(jī)控制器，主要介紹其軟硬件設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)介紹了溫度檢測(cè)模塊及CPLD（Complex Programmable Logic Device）在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2　系統(tǒng)概述及功能要求

    洗片過程主要由顯影、定影、沖洗和烘干四部分組成，如圖1所示。

　　膠片先在裝有顯影藥液的顯影槽中放置一定時(shí)間，再在裝有定影藥液的定影槽中放置一定時(shí)間，接著在沖洗槽中用清水沖洗，最后烘干，洗片過程即完成。四個(gè)過程對(duì)溫度、時(shí)間均有要求，且顯影、定影過程對(duì)藥液濃度有要求。
　　洗片機(jī)有四種狀態(tài)：冷機(jī)、預(yù)熱、洗片和自檢。冷機(jī)狀態(tài)即系統(tǒng)上電但不工作；預(yù)熱狀態(tài)即機(jī)內(nèi)無膠片但工作區(qū)加熱到一定溫度，當(dāng)有進(jìn)片時(shí)可迅速升溫到洗片溫度；洗片狀態(tài)時(shí)進(jìn)行洗片流程；自檢狀態(tài)時(shí)可檢查各執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常。
　　控制器實(shí)現(xiàn)的主要功能有：（1）控制整個(gè)洗片工藝的流程；（2）檢測(cè)并控制顯影、定影、烘干三個(gè)工作區(qū)的溫度，顯影、定影的藥液量及液面高度，洗片的速度（即膠片在各工作區(qū)的時(shí)間）及泵與閥；（3）判斷進(jìn)出片及膠片型號(hào)；（4）統(tǒng)計(jì)各型號(hào)膠片的洗片數(shù)量，統(tǒng)計(jì)藥液使用量；（5）機(jī)內(nèi)時(shí)鐘，定時(shí)開、關(guān)機(jī)；（6）由鍵盤和液晶顯示器組成的人機(jī)接口，方便操作，并可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置。

3　硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    控制器由主控模塊、鍵盤顯示模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成，如圖2所示。

　　主控模塊和鍵盤顯示模塊各由一片AT89C52單片機(jī)控制，兩部分之間采用串行通訊。設(shè)計(jì)采用雙CPU，是考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)在機(jī)箱下部，而主控模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的距離應(yīng)盡量小，以提高系統(tǒng)可靠性。液晶顯示與鍵盤模塊完成任務(wù)較多且功能獨(dú)立，可單獨(dú)采用一片CPU，另外，鍵盤顯示模塊與主控模塊分開，可放在機(jī)箱上部，方便操作。

　　鍵盤顯示模塊主要由AT89C52單片機(jī)、鍵盤、液晶顯示和串行通訊接口等組成。
3．1　主控模塊
　　主控模塊包括AT89C52單片機(jī)、溫度檢測(cè)、膠片檢測(cè)、溫度控制、泵和閥的控制、電機(jī)速度控制、串行通訊接口、擴(kuò)充RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、譯碼電路和開關(guān)電源等模塊，主控模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　由于控制器要求能對(duì)藥液使用量、各片型洗片數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并保存統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，需要外擴(kuò)非易失性存儲(chǔ)器?？紤]到價(jià)格因素，沒有采用內(nèi)含實(shí)時(shí)時(shí)鐘的存儲(chǔ)器，而是采用了一片NV SRAM和單獨(dú)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。外擴(kuò)的存儲(chǔ)器采用了集成電路DS1225，其存儲(chǔ)容量為64K。時(shí)鐘電路采用了DALLAS公司的集成電路芯片DS12887。DS12887可提供年月日時(shí)分秒的計(jì)時(shí)、定時(shí)報(bào)警、一個(gè)一百年的日歷、可編程中斷及114字節(jié)的非易失性RAM。洗片機(jī)控制器的溫度控制中采用了集成調(diào)壓模塊。
3．2　CPLD在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　　CPLD是一種新型的復(fù)雜可編程邏輯器件。這種器件具有可編程性和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)的特點(diǎn)。CPLD器件的使用大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了系統(tǒng)的集成化程度、具可靠性和可擴(kuò)充性，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　設(shè)計(jì)中CPLD采用了XiLinx公司的集成芯片XC9572。XC9572內(nèi)有72個(gè)宏單元，可多次編程，支持在線編程。CPLD中實(shí)現(xiàn)的功能包括：譯碼；輸出控制量、進(jìn)／出片檢測(cè)及過溫檢測(cè)的接口；中斷控制；地址鎖存。
　　CPLD內(nèi)中斷控制的原理圖如圖4所示。INT1接到CPU的外部中斷腳INT1。主控模塊有四個(gè)外部中斷源：實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷信號(hào)CLK_INT、過溫中斷信號(hào)OV_TEM、進(jìn)片中斷信號(hào)POS_IN和出片中斷信號(hào)POS　OUT。當(dāng)其中任何一個(gè)中斷源有效時(shí)，D觸發(fā)器被清零，INT1為低電平，CPU執(zhí)行中斷程序。在中斷程序中，CPU通過讀INT　CE對(duì)應(yīng)的I／O地址單元的數(shù)據(jù)辨認(rèn)出相應(yīng)的中斷源，　　執(zhí)行對(duì)應(yīng)的處理。其中，INT_是讀中斷源的使能信號(hào),INT_CE為低電平時(shí)，讀中斷源，同時(shí)D觸發(fā)器被置位，INT1恢復(fù)高電平。

3．3　溫度檢測(cè)模塊
　　溫度檢測(cè)電路如圖5所示。溫度傳感器采用AD590，工作范圍是－55℃～＋155℃，其線性度良好，且有恒流傳輸特性，便于遠(yuǎn)距離傳送。AD590的輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，供電電源為＋4V～＋30V時(shí)，絕對(duì)溫度每上升1K，輸出電流上升1μA，電流變化范圍很小，所以接一個(gè)9．8kΩ電阻及511Ω的可調(diào)電阻，增大電流變換范圍，以滿足LM324運(yùn)算放大器的要求?！　?br /> 　　AD590的輸出信號(hào)經(jīng)第一級(jí)放大器LM324將電流信號(hào)變換為反相的電壓信號(hào)，其中，510Ω的可調(diào)電阻RW1用來調(diào)整電流－電壓變換的斜率。信號(hào)經(jīng)第二級(jí)放大器放大為穩(wěn)定的電壓信號(hào)，可調(diào)電阻RW2起調(diào)零功能。Vref＝＋5V為參考電壓，由電源模塊LM317給出。
　　根據(jù)AD590特性，溫度為絕對(duì)溫度xK時(shí)，AD590的輸出電流為xμA。令第一級(jí)放大器的輸出電壓為v1，第二級(jí)放大器的輸出電壓為v0，則：

　　根據(jù)環(huán)境溫度、洗片機(jī)各溫區(qū)工作溫度要求以及ADC0809輸入電壓范圍要求，調(diào)整RW1和RW2。調(diào)整時(shí)我們按照變換率為35mV/℃，通過調(diào)整RW1調(diào)整v0的斜率，再調(diào)整RW2以滿足調(diào)零要求。
　　ADC0809是單片、CMOS、逐次比較、8位模／數(shù)變換器。片內(nèi)包含8位模／數(shù)變換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器與微控制器兼容的控制邏輯。ADC轉(zhuǎn)換位的選擇應(yīng)充分保證其分辨率高于系統(tǒng)的精度要求，且有一定的裕量，從而滿足其它環(huán)節(jié)特別是傳感器元件的非線性要求。
    ADC0809的轉(zhuǎn)換精度為±0．4％，轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs。ADC0809將第二級(jí)放大器輸出的模擬量變換為數(shù)字量，接到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線，供CPU讀入。

4　軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　軟件系統(tǒng)分為兩大部分，洗片主控模塊與鍵盤顯示模塊，兩部分之間根據(jù)自定義的通訊協(xié)議通訊。軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，主控部分如圖6所示，由初始化、串行通訊、時(shí)鐘管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸入掃描、進(jìn)片檢測(cè)、出片檢測(cè)、輸出控制、中斷等模塊組成，由主程序調(diào)用各子模塊，負(fù)責(zé)洗片流程控制。為了提高系統(tǒng)可靠性，主程序采用循環(huán)執(zhí)行的方式。
　　輸出控制模塊包括溫度控制、速度控制、沖洗控制、補(bǔ)液控制及其它開關(guān)量控制。溫度控制模塊根據(jù)檢測(cè)到的三個(gè)工作區(qū)的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之差，查溫度控制表，采用差值法得到輸出控制量，其中溫度控制表事先由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，固化在單片機(jī)中。洗片電機(jī)速度分為四檔，根據(jù)設(shè)定值查表得輸出控制量。

5　提高系統(tǒng)可靠性的措施

　　由于醫(yī)院對(duì)洗片質(zhì)量及可靠性要求非常高，洗片機(jī)本身價(jià)格昂貴，且運(yùn)行時(shí)間長，我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了可靠性問題。首先，機(jī)器設(shè)計(jì)有自檢功能，普通操作人員可以自行檢查各執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常。印刷電路板的設(shè)計(jì)也考慮到抗干擾措施，如電源濾波、地線處理等，以提高電路板的可靠性。另外，系統(tǒng)中有看門狗電路，在程序跑飛時(shí)系統(tǒng)復(fù)位。在軟件方面，采用主程序循環(huán)執(zhí)行的方式，每次循環(huán)對(duì)輸出口刷新、對(duì)輸入口讀入，這樣，當(dāng)程序在某次循環(huán)中出錯(cuò)時(shí)，下次循環(huán)時(shí)可恢復(fù)正常。

6　結(jié)束語

　　該醫(yī)用自動(dòng)洗片機(jī)控制器能滿足醫(yī)院X光片自動(dòng)洗片的要求，減少了洗片工作量，提高了洗片的質(zhì)量和效率。設(shè)計(jì)中考慮到了系統(tǒng)的可靠性要求，在硬件和軟件設(shè)計(jì)中均采取措施提高可靠性。同時(shí)系統(tǒng)具有一定的靈活性和可擴(kuò)充性。