馬民花

目前，醫(yī)療機構(gòu)用于大功率的透視和攝影的X射線設(shè)備，通常是體積比較龐大的拍片機、胃腸機或透視機，占用空間比較大，外形也顯得比較笨重。本文介紹一種占用空間小、由單片機控制、用三個獨立立柱組成的X射線機運動控制系統(tǒng)，在有限空間范圍內(nèi)，實現(xiàn)5.0～50 kW 功率范圍的X射線的透視、攝影功能。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、操作方便等特點，可用于醫(yī)療機構(gòu)或車載X射線機的常規(guī)X射線透視、攝影的機械運動支撐、控制。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1 系統(tǒng)組成示意圖（如圖1所示）

該X射線機運動控制系統(tǒng)由三個獨立的立柱組成，三個立柱呈三角位置關(guān)系固定，每個立柱上有可上下運動的驅(qū)動裝置。立柱分別用于支撐和控制X射線機球管、X射線影像增強器、X射線片盒夾的上下運動，按三個立柱所支撐控制的X射線組件不同，分別簡稱為球管立柱、增強器立柱、片盒立柱。

根據(jù)X射線透視和攝影成像要求，球管焦點到X射線影像增強器的焦屏距為1.0 m， 球管焦點到X射線片盒夾的焦屏距為1.8 m。故此，三根立柱即可安裝在2 m2的范圍內(nèi)。由于每個立柱高度位1.8 m，立柱升降范圍為500～1 500 mm，同步跟蹤精度為8 mm，所以，可滿足正常人體從下肢、腹部到頸部透視、攝影位移范圍的要求。

2 控制原理

系統(tǒng)以球管立柱為主控立柱，可手動控制球管的升降運動，在透視模式時球管出線口對準增強器中心位置，在攝影模式時球管出線口對準片盒夾中心位置。主控立柱單片機實時采樣球管運動狀態(tài)和位置信號，并將位置信號及升降狀態(tài)發(fā)送給從立柱單片機。

增強器立柱（對應(yīng)透視模式）和片盒立柱（對應(yīng)攝影模式）為從立柱，在透視模式時系統(tǒng)對增強器位置自動進行同步跟蹤，攝影模式時系統(tǒng)對片盒位置自動進行同步跟蹤。

系統(tǒng)以485的通訊方式進行立柱運動控制電路之間的通訊。每個立柱上裝有立柱控制電路。系統(tǒng)上電后，單片機判斷所控立柱為主控立柱還是從立柱。為主控立柱時，等待手動升降操作，并對當前球管位置信號進行采樣，A/D轉(zhuǎn)換后，通過485接口將升降狀態(tài)和球管位置信號發(fā)送給從立柱。立柱為從立柱時，單片機判斷當前工作模式是否為本立柱所屬的工作模式，若為透視模式，增強器立柱單片機采樣增強器位置信號，并與主控立柱單片機發(fā)送的球管位置信號進行比較，決定是上升或下降及上升下降的距離，同時對球管位置進行實時跟蹤；若為攝影模式，片盒立柱單片機的工作原理與透視模式下增強器立柱單片機的工作原理相同，以此保證增強器位置和片盒位置在透視和攝影工作模式時與球管位置的同步，來完成X射線機的透視和攝影工作。

三個立柱運動控制電路設(shè)計完全相同，只是通過開關(guān)編碼設(shè)置，識別主從狀態(tài)和立柱所屬的透視或攝影工作模式狀態(tài)。每個立柱控制電路原理框圖，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理組成框圖

控制系統(tǒng)以80C51單片機為核心，由位置采樣及A/D轉(zhuǎn)換電路、串口485通訊電路、手動/自動升降控制、驅(qū)動電路、主從判斷、工作模式判斷電路等組成。立柱控制原理圖，如圖3所示。

3 主要功能控制電路

圖3 立柱運動控制原理圖

3.1 單片機控制電路

單片機控制電路選用通用主流的8位的80C51單片機系列微控制器，除單片機基本功能電路外，還有看門狗電路、聲光報警電路、狀態(tài)指示電路等功能電路。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路（如圖4所示）

圖4 位置信號采樣的A/D原理示意圖

A/D轉(zhuǎn)換電路選用串行接口10位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，與單片機接口簡單，外圍器件少，占用資源少。

X射線組件位置信號通過與升降驅(qū)動齒輪聯(lián)動的多圈高精度電位器進行取樣（圖4中虛線所框部分），射隨隔離后，進行放大?？紤]到驅(qū)動機構(gòu)運動低端、高端位置的限制，以及在1 000 mm的上下運動范圍內(nèi)控制精度為3 mm，故限定放大器輸出電壓為0～3.75 V，之后，將放大的電壓進行A/D轉(zhuǎn)換。在實際使用中，主從立柱的跟蹤位置在8 mm的誤差范圍內(nèi)即可滿足成像要求。

采樣信號的輸入端分別用二極管連接到電源和地端，使作用于運放輸入端的電壓限制在電源電壓和地之間，對運放輸入端進行過壓保護。

3.3 485通訊原理（如圖5所示）

圖5 485通訊原理示意圖

485通訊電路選用雙向全雙工通訊模式，并有發(fā)送、接收指示燈，可隨時監(jiān)測通訊工作模式狀態(tài)，在四個差分接收和發(fā)送端分別對地接有4個雙向瞬態(tài)擬制器，對傳輸線上的干擾進行過壓保護。瞬態(tài)抑制器具有響應(yīng)時間快、漏電流低、體積小、瞬態(tài)功率大等優(yōu)點。傳輸線沒有干擾正常工作時，瞬態(tài)抑制器處于高阻狀態(tài)，不影響信號傳輸，當傳輸線上有反向瞬態(tài)高能量沖擊時，瞬態(tài)抑制器能以10-12秒級的速度變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，吸收浪涌功率，將電壓箝位于預(yù)定值，對電路進行有效保護。同時，因三個立柱之間總距離在5 m之內(nèi)，系統(tǒng)通訊完全能可靠、穩(wěn)定工作。

3.4 電機控制電路（如圖6所示）

圖6 電機控制原理示意圖

立柱的電機選用24 V，3 A的直流電機?？刂坪唵危ぷ骺煽?，成本低廉。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電機驅(qū)動電路與單片機控制電路通過光耦進行隔離，避免驅(qū)動電路發(fā)生故障時，對單片機電路的損壞。

在圖6電路中，有上升、下降兩路控制驅(qū)動電路。當P2.3為“1”時，光耦不導(dǎo)通，P2三極管截至，一級驅(qū)動繼電器REL1不導(dǎo)通，二級驅(qū)動繼電器REL3導(dǎo)通回路斷開，電機輸出電壓DJ1為0 V；當P2.3為“0”時，光耦導(dǎo)通，P2三極管導(dǎo)通，一級驅(qū)動繼電器REL1導(dǎo)通，二級驅(qū)動繼電器REL3導(dǎo)通回路接通，電機輸出電壓DJ1為24 V。所以，當需要上升時，P2.3為“1”，P2.4為“0”，DJ1、DJ2兩端輸出+24 V電壓，電機正轉(zhuǎn)，支撐驅(qū)動機構(gòu)上升；當需要下降時，P2.3為“0”，P2.4為“1”，DJ1、DJ2兩端輸出-24 V電壓，電機反轉(zhuǎn)，支撐驅(qū)動機構(gòu)下降。

電路中，為了電機可靠工作，用兩級繼電器進行驅(qū)動控制，并在第一級繼電器驅(qū)動時加入了互鎖功能，保證只有上或下一路信號有效時，電機兩端有DC24 V電壓輸入，當因誤操作使上或下兩路控制信號同時有效時，電機兩端電壓輸入為0 V，電路從硬件方面保證了電機的工作可靠性和安全性。

升降控制電路同時能滿足手動、自動控制升降的要求?？刂齐娐窞橹骺仉娐窌r，手動升降起作用，單片機讀取升降狀態(tài)，并屏蔽自動升降控制信號；控制電路為從控電路時，斷開手動控制電路，升降操作由單片機直接控制。

4 系統(tǒng)工作流程

軟件由信號處理程序、信號輸出控制程序、通訊程序等組成。

信號處理程序，主要是對位置信號的讀取和跟蹤。讀取位置信號時，為防止干擾，連續(xù)讀取3次位置信號，當三次取值相同時，認為信號位置穩(wěn)定。從立柱進行跟蹤時，按位置差值決定跟蹤速度，當主從位置相差較大時，進行快跟蹤；跟蹤位置差值較小時，進行慢跟蹤。同時為防止從立柱頻繁跟蹤操作，設(shè)立跟蹤位置門限。軟件采取多種抗干擾措施，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠性，消除由干擾引起的誤操作。

立柱運動控制軟件工作流程，如圖7所示。

5 結(jié)語

文章介紹的單片機控制的獨立立柱式X射線機運動控制系統(tǒng)，靈巧、簡潔、緊湊，安裝方便，性價比高，控制精確，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，已用在車載X射線機的運動控制系統(tǒng)上。

圖7 立柱軟件控制流程框圖

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