應(yīng)用C8051F350的冷陰極熒光觀片儀調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

跨入21世紀(jì)以來，信息的世界變換迅速，說不定今天出了某高科技產(chǎn)品明天就會(huì)有更優(yōu)秀的同類產(chǎn)品面世。其中電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)更新周期大概就是2到3年。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(chǎng)醫(yī)療設(shè)備的革命中，其中，對(duì)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（Cold Cathode Fluorescent Lamp）開發(fā)的觀片儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燈管表面溫升小、燈管表面亮度高、使用壽命長(zhǎng)、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點(diǎn)。醫(yī)療設(shè)備至關(guān)重要。擁有好的醫(yī)療設(shè)備，有些不能做的手術(shù)就能做了，能做的手術(shù)其成功概率也會(huì)大大提升。

本文我們介紹的是一種以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(cè)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(cè)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(zhǎng)了冷陰極（是指無需把陰極加熱，而是利用電場(chǎng)的作用來控制界面的勢(shì)能變化，使陰極內(nèi)的電子把勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能而向外發(fā)射。）燈管的使用壽命。與傳統(tǒng)的相比有很大的優(yōu)勢(shì)。既保證了醫(yī)生觀片的準(zhǔn)確，也保證了醫(yī)生本身的視覺疲勞問題。畢竟醫(yī)療方面的事情不容忽視，醫(yī)生的診斷結(jié)果關(guān)乎著許多人的生活，一點(diǎn)點(diǎn)的錯(cuò)誤會(huì)帶給1個(gè)甚至幾個(gè)家庭帶來悲劇。

1 CCFL觀片儀調(diào)光原理

利用CCFL開發(fā)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(cè)亮度，利用光電傳感器動(dòng)態(tài)采集環(huán)境光強(qiáng)，由C8051F350對(duì)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。使醫(yī)療設(shè)備在工作時(shí)給出最適合當(dāng)時(shí)環(huán)境的光且光的強(qiáng)度穩(wěn)定。

2 C8051F35簡(jiǎn)介

C8051F350是一款完全集成了單片復(fù)合信號(hào)系統(tǒng)的微控制器。C8051F350集成了24位8通道ADC和8位2通道DAC。C8051F350結(jié)合了高度精密的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)高吞吐量8051 CPU，是模擬和計(jì)算密集型應(yīng)用的理想選擇。

C8051F350單片機(jī)主要特性：

（1）高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，最高50MIPS執(zhí)行速度；

（2）全速非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)，C2接口）；

（3）24位1ksps的8通道單端/差分ADC，帶模擬多路器；

（4）2路8位電流型DAC；

（5）高精度可編程的24.5MHz內(nèi)部震蕩器；

（6）8KB字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；

（7）768（512+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；

（8）硬件實(shí)現(xiàn)的SPI，SMBus/IIC和UART串行接口；

（9）4個(gè)通用的16位定時(shí)器；

（10）具有3個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；

（11）片內(nèi)上電復(fù)位，看門狗定時(shí)器，2個(gè)電壓比較器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；

（12）17個(gè)I/O端口；

（13）-40~85度工業(yè)級(jí)溫度范圍；

（14）2.7V~3.6V工作電壓，LQFP32封裝；　

3 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)以C8051F350為主控芯片，紅外對(duì)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(jí)（ISP）。

3.1 紅外對(duì)射管

觀片儀自動(dòng)開關(guān)由紅外對(duì)射管傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)紅外對(duì)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(cè)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。由此可以更好地節(jié)約電能，從而達(dá)到低消耗的目的。相信與傳統(tǒng)的觀片儀相比會(huì)有很大的改觀。

紅外對(duì)射管選擇霍尼韋爾公司的SEP8505-002，其工作波長(zhǎng)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(duì)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(cè)電路見圖2。

3.2 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(duì)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(duì)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。

3.3 主控部分

主控芯片采用了美國(guó)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。

3.4 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。

4 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(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的亮度值

5 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面主要包括上位機(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(duì)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(duì)應(yīng)的亮度關(guān)系對(duì)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(duì)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)。

6 結(jié) 語

本文提出一種基于單片機(jī)C8051F350的冷陰極熒光燈（CCFL）觀片儀的全自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化后自動(dòng)調(diào)節(jié)觀片儀背景照明光源的亮度，使觀片儀亮度與環(huán)境光強(qiáng)比值達(dá)到最佳，系統(tǒng)閑置時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，大大提高了觀片儀的使用壽命。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。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了觀片儀亮度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，具有功耗低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。