醫用自動洗片機控制器的研制?

　【摘　要】　介紹了基于AT89C52單片機及外圍芯片設計的醫用X－射線自動洗片機控制器。給出了洗片機控制器的軟硬件設計方案，并重點介紹了溫度檢測模塊及CPLD在設計中的應用。
??? 關鍵詞：單片機，X-射線自動洗片機，溫度檢測，CPLD

1　引　言

　　洗片機是各醫院影像科的必需設備。醫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，對操作人員專業技術要求高，另外，洗片時化學藥液對人體有傷害。因此，目前醫院大多采用醫用自動洗片機。進口的自動洗片機效果好，但價格昂貴。本文介紹了一種自行研制的由微型機控制的醫用自動洗片機控制器，主要介紹其軟硬件設計方案，并重點介紹了溫度檢測模塊及CPLD（Complex Programmable Logic Device）在設計中的應用。

2　系統概述及功能要求

??? 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間，再在裝有定影藥液的定影槽中放置一定時間，接著在沖洗槽中用清水沖洗，最后烘干，洗片過程即完成。四個過程對溫度、時間均有要求，且顯影、定影過程對藥液濃度有要求。
　　洗片機有四種狀態：冷機、預熱、洗片和自檢。冷機狀態即系統上電但不工作；預熱狀態即機內無膠片但工作區加熱到一定溫度，當有進片時可迅速升溫到洗片溫度；洗片狀態時進行洗片流程；自檢狀態時可檢查各執行機構是否正常。
　　控制器實現的主要功能有：（1）控制整個洗片工藝的流程；（2）檢測并控制顯影、定影、烘干三個工作區的溫度，顯影、定影的藥液量及液面高度，洗片的速度（即膠片在各工作區的時間）及泵與閥；（3）判斷進出片及膠片型號；（4）統計各型號膠片的洗片數量，統計藥液使用量；（5）機內時鐘，定時開、關機；（6）由鍵盤和液晶顯示器組成的人機接口，方便操作，并可實現參數的設置。

3　硬件系統的設計

??? 控制器由主控模塊、鍵盤顯示模塊及執行機構三大部分組成，如圖2所示。

　　主控模塊和鍵盤顯示模塊各由一片AT89C52單片機控制，兩部分之間采用串行通訊。設計采用雙CPU，是考慮到執行機構在機箱下部，而主控模塊與執行機構之間的距離應盡量小，以提高系統可靠性。液晶顯示與鍵盤模塊完成任務較多且功能獨立，可單獨采用一片CPU，另外，鍵盤顯示模塊與主控模塊分開，可放在機箱上部，方便操作。

　　鍵盤顯示模塊主要由AT89C52單片機、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、溫度檢測、膠片檢測、溫度控制、泵和閥的控制、電機速度控制、串行通訊接口、擴充RAM、實時時鐘、譯碼電路和開關電源等模塊，主控模塊結構如圖3所示。
　　由于控制器要求能對藥液使用量、各片型洗片數量進行統計并保存統計數據，需要外擴非易失性存儲器。考慮到價格因素，沒有采用內含實時時鐘的存儲器，而是采用了一片NV SRAM和單獨的實時時鐘。外擴的存儲器采用了集成電路DS1225，其存儲容量為64K。時鐘電路采用了DALLAS公司的集成電路芯片DS12887。DS12887可提供年月日時分秒的計時、定時報警、一個一百年的日歷、可編程中斷及114字節的非易失性RAM。洗片機控制器的溫度控制中采用了集成調壓模塊。
3．2　CPLD在設計中的應用
　　CPLD是一種新型的復雜可編程邏輯器件。這種器件具有可編程性和實現方案容易改動的特點。CPLD器件的使用大大縮短了產品的設計周期，提高了系統的集成化程度、具可靠性和可擴充性，在電子產品設計中得到了廣泛的應用。
　　設計中CPLD采用了XiLinx公司的集成芯片XC9572。XC9572內有72個宏單元，可多次編程，支持在線編程。CPLD中實現的功能包括：譯碼；輸出控制量、進／出片檢測及過溫檢測的接口；中斷控制；地址鎖存。
　　CPLD內中斷控制的原理圖如圖4所示。INT1接到CPU的外部中斷腳INT1。主控模塊有四個外部中斷源：實時時鐘中斷信號CLK_INT、過溫中斷信號OV_TEM、進片中斷信號POS_IN和出片中斷信號POS　OUT。當其中任何一個中斷源有效時，D觸發器被清零，INT1為低電平，CPU執行中斷程序。在中斷程序中，CPU通過讀INT　CE對應的I／O地址單元的數據辨認出相應的中斷源，　　執行對應的處理。其中，INT_是讀中斷源的使能信號,INT_CE為低電平時，讀中斷源，同時D觸發器被置位，INT1恢復高電平。

3．3　溫度檢測模塊
　　溫度檢測電路如圖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，便于遠距離傳送。AD590的輸出電流與絕對溫度成正比，供電電源為＋4V～＋30V時，絕對溫度每上升1K，輸出電流上升1μA，電流變化范圍很小，所以接一個9．8kΩ電阻及511Ω的可調電阻，增大電流變換范圍，以滿足LM324運算放大器的要求。　　
　　AD590的輸出信號經第一級放大器LM324將電流信號變換為反相的電壓信號，其中，510Ω的可調電阻RW1用來調整電流－電壓變換的斜率。信號經第二級放大器放大為穩定的電壓信號，可調電阻RW2起調零功能。Vref＝＋5V為參考電壓，由電源模塊LM317給出。
　　根據AD590特性，溫度為絕對溫度xK時，AD590的輸出電流為xμA。令第一級放大器的輸出電壓為v1，第二級放大器的輸出電壓為v0，則：

　　根據環境溫度、洗片機各溫區工作溫度要求以及ADC0809輸入電壓范圍要求，調整RW1和RW2。調整時我們按照變換率為35mV/℃，通過調整RW1調整v0的斜率，再調整RW2以滿足調零要求。
　　ADC0809是單片、CMOS、逐次比較、8位模／數變換器。片內包含8位模／數變換器、8通道多路轉換器與微控制器兼容的控制邏輯。ADC轉換位的選擇應充分保證其分辨率高于系統的精度要求，且有一定的裕量，從而滿足其它環節特別是傳感器元件的非線性要求。
??? ADC0809的轉換精度為±0．4％，轉換時間為128μs。ADC0809將第二級放大器輸出的模擬量變換為數字量，接到系統的數據總線，供CPU讀入。

4　軟件系統的設計

　　軟件系統分為兩大部分，洗片主控模塊與鍵盤顯示模塊，兩部分之間根據自定義的通訊協議通訊。軟件設計時采用模塊化設計，主控部分如圖6所示，由初始化、串行通訊、時鐘管理、數據存儲、輸入掃描、進片檢測、出片檢測、輸出控制、中斷等模塊組成，由主程序調用各子模塊，負責洗片流程控制。為了提高系統可靠性，主程序采用循環執行的方式。
　　輸出控制模塊包括溫度控制、速度控制、沖洗控制、補液控制及其它開關量控制。溫度控制模塊根據檢測到的三個工作區的實際溫度與設定溫度之差，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驗測得，固化在單片機中。洗片電機速度分為四檔，根據設定值查表得輸出控制量。

5　提高系統可靠性的措施

　　由于醫院對洗片質量及可靠性要求非常高，洗片機本身價格昂貴，且運行時間長，我們在系統設計時考慮了可靠性問題。首先，機器設計有自檢功能，普通操作人員可以自行檢查各執行機構是否正常。印刷電路板的設計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，系統中有看門狗電路，在程序跑飛時系統復位。在軟件方面，采用主程序循環執行的方式，每次循環對輸出口刷新、對輸入口讀入，這樣，當程序在某次循環中出錯時，下次循環時可恢復正常。