鄭 勝，白曉淞，周俊趙

(1.桂林電子科技大學(xué)，桂林541004;2.中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所，深圳518052)

0 引 言

光聲成像是國際上新發(fā)展的一種無創(chuàng)在體生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有高分辨成像能力和成像深度，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，并得到迅速發(fā)展［1］。而光聲成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量對拖動電機(jī)和掃描電機(jī)控制有著較高的要求，它不僅要求多模成像系統(tǒng)掃描圖像電機(jī)速度保持穩(wěn)定，而且其上位機(jī)程序要集成到上位機(jī)圖像采集與數(shù)據(jù)處理主系統(tǒng)中去，并要實(shí)現(xiàn)圖像采集的速度可調(diào)。基于此，本文設(shè)計(jì)了基于Lab-VIEW與DSP的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用串口通信的方式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)LabVIEW與控制器DSPTMS320F2812的通信，DSP通過控制算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的穩(wěn)定控制。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及通信設(shè)計(jì)

1.1 硬件構(gòu)成

基于LabVIEW與DSP的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要分為三部分，第一部分是基于LabVIEW的上位機(jī)，用來發(fā)送和接收速度值;第二部分是伺服控制器DSP，主要功能是接收RS232串口速度指令，采集轉(zhuǎn)速、電流信號采用控制算法加以實(shí)現(xiàn);第三部分為電機(jī)驅(qū)動模塊、光電編碼器、電機(jī)等。這里電機(jī)為富士GYS201D5－RC2三相交流電機(jī)，光電編碼器為2500線的多摩川增量式光電編碼器TS2604N321E64，控制芯片選用DSP TMS320F2812，晶振為30 MHz，通過鎖相環(huán)倍頻為150 MHz。其原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 通信方式設(shè)計(jì)

通信方式采用SCI串行口通信，其參數(shù)設(shè)置如下:波特率為19 200 b/s，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，上位機(jī)LabVIEW與DSP通過RS232串口半雙工通信來完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP上電后等待激光器的初始化，當(dāng)激光器完成初始化并激發(fā)換能器后，基于LabVIEW的上位機(jī)程序發(fā)送速度命令，DSP收到速度命令后驅(qū)動拖動電機(jī)和掃描電機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動光纖和掃描探頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)完成了規(guī)定掃描范圍的n幀圖像數(shù)據(jù)采集后，LabVIEW自動發(fā)出停止命令，DSP通過反接制動控制電機(jī)停止掃描。DSP作為控制器實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)系統(tǒng)速度值的接收和對電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。

2 基于LabVIEW的上位機(jī)程序

虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)軟件的儀器系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程、自動化儀器儀表、機(jī)器人視覺、工業(yè)控制與檢測等。虛擬儀器技術(shù)在醫(yī)療裝備中主要的應(yīng)用有醫(yī)學(xué)信號的數(shù)據(jù)采集和分析、醫(yī)療裝備系統(tǒng)的控制及遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等［2］。VISA作為虛擬儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O的API，是LabVIEW實(shí)現(xiàn)程序通信的底層模塊，其獨(dú)立于操作系統(tǒng)，可根據(jù)使用儀器的類型來調(diào)用相應(yīng)的程序，無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議，是一個用來在串口通信設(shè)備、VXI或PXI設(shè)備、USB設(shè)備、GPIB設(shè)備以及其他基于計(jì)算機(jī)設(shè)備間通信的函數(shù)庫［3］。上位機(jī)串口通信部分程序如圖2所示，這里串口通信程序總體架構(gòu)是基于生產(chǎn)者與消費(fèi)者循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，通過對VISA的功能模塊進(jìn)行配置和調(diào)用來完成。首先是創(chuàng)建用戶注冊事件和對串口的初始化配置等，配置參數(shù)要與DSP的SCI串口初始化的程序時(shí)的設(shè)置一致;其次在while中循環(huán)的讀取和寫入速度值，并產(chǎn)生相應(yīng)動態(tài)的注冊事件來停止或重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 上位機(jī)通信部分程序面板

為避免發(fā)送出錯，采用注冊動態(tài)事件方式檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)幀與DSP回傳的數(shù)據(jù)幀是否一致，一致則認(rèn)為發(fā)送成功，超時(shí)則停止，其他情況則采用默認(rèn)注冊事件方式重新發(fā)送，這樣保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c準(zhǔn)確性。

3 基于DSP的控制器設(shè)計(jì)

控制器C程序在CCS環(huán)境下編寫，主要包括主程序、參數(shù)初始化子程序(時(shí)鐘、看門狗、SCI串口、AD模塊、事件管理器模塊、GPIO口定義模塊、EQEP模塊)、串口中斷服務(wù)及控制算法的實(shí)現(xiàn)程序等。

1)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。在標(biāo)準(zhǔn)SCI模式下通過中斷方式來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)接收區(qū)和數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)，用來存放LabVIEW發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀和單片機(jī)要發(fā)送給LabVIEW的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀［4］。當(dāng)接收中斷發(fā)生時(shí)，DSP將串口發(fā)送來的控制值通過中斷函數(shù)SCIRXINTA_ISR裝入數(shù)據(jù)接收區(qū)，由于Lab-VIEW從串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)值為ASCII字符形式，因此轉(zhuǎn)換為控制的速度值時(shí)一定要轉(zhuǎn)換為無符號的整型數(shù)，每一個ASCII碼字符與其整型數(shù)相差48。當(dāng)進(jìn)入發(fā)送中斷單片機(jī)將發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)通過SCITXINTA_ISR中斷函數(shù)發(fā)送給上位機(jī)并判斷發(fā)送的控制值是否正確，不正確則上位機(jī)重新發(fā)送。

2)由于在圖像采集的電機(jī)調(diào)速過程中要求電機(jī)調(diào)速迅速、平滑，因此速度跟隨要越快越好。此外，由于負(fù)載變化和系統(tǒng)受到擾動時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)速度控制并不能消除速度值與期望值的偏差，這樣就會導(dǎo)致圖像采集的線數(shù)出現(xiàn)偏差或是不均勻，因此，系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制以提高系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和抗干擾的能力，其中速度給定值由上位機(jī)Lab-VIEW發(fā)送并由DSP串口接收，速度測量值采用M法測速，即由光電編碼器采集的脈沖信號送到DSP專門的EQEP口并與定時(shí)器值結(jié)合計(jì)算得來。雖然系統(tǒng)的控制目的是對電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定精確控制，但是僅對速度的控制是不能達(dá)到掃描電機(jī)的精確速度控制和快速啟停的，電機(jī)的控制本質(zhì)就是轉(zhuǎn)矩的控制，因此對轉(zhuǎn)矩的控制顯得尤為必要，而轉(zhuǎn)矩在電機(jī)電流不超過其額定值時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的電流幾乎成正比，所以要控制好轉(zhuǎn)矩就是要控制好電機(jī)的電流。這樣通過對電樞電流的閉環(huán)控制不僅可以減少諧波成分和轉(zhuǎn)矩脈動，而且在快速啟停時(shí)，避免了速度調(diào)節(jié)器出現(xiàn)飽和，使系統(tǒng)獲得最大的加減速，此外通過電流飽和閾值限制避免了過載電流的出現(xiàn)，具有良好的靜態(tài)特性，而且電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，其閉環(huán)控制要比速度控制快得多，通過對電流的閉環(huán)控制明顯提高了系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性能和抗干擾能力［5］，所以系統(tǒng)采用的是雙閉環(huán)控制，串聯(lián)連接，內(nèi)為電流環(huán)，外為速度環(huán)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的在線調(diào)控。其控制算法框圖如圖3所示。

3)主程序完成初始后，等待中斷發(fā)生，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，DSP TMS320F2812作為控制核心，接收到上位機(jī)發(fā)送的速度值和采集相電流值和計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速值，通過PI控制算法，采用電壓空間矢量SVPWM［6］技術(shù)，經(jīng)高速光耦隔離后來控制三相電壓源逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合以及開關(guān)時(shí)間的長短，經(jīng)橋式模塊驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。伺服電機(jī)的電流通過AD采樣送入DSP的IO口，轉(zhuǎn)速信號則通過EQEP口反饋給DSP，形成對電機(jī)的雙閉環(huán)PI控制。系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，母線電壓利用率高，易于數(shù)字化控制;上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)RS－232串口發(fā)送調(diào)速指令，完成對電機(jī)速度的在線調(diào)控，其程序流程圖如圖4所示。

圖3 控制算法框圖

圖4 程序流程圖

4 實(shí) 驗(yàn)

硬件連接好后，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出控制速度1 800 r/min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行達(dá)到1 800 r/min，運(yùn)行平穩(wěn)，當(dāng)完成規(guī)定的掃描長度后，上位機(jī)自動發(fā)出停止命令，電機(jī)也能迅速停止，掃描完成。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，用邏輯分析儀測得同一橋臂上下兩個開關(guān)管的PWM驅(qū)動波形，如圖5所示。

從示波器中觀察單相橋臂的電壓波形和電流波形如圖6所示。波形1為電壓波形，波形2為電流波形，近似為周期正弦信號，諧波成分小，這與理論相吻合，說明整個系統(tǒng)已達(dá)到了預(yù)期的效果，具有良好的動靜態(tài)性能。

圖5 同一橋臂的PWM驅(qū)動波形

圖6 單相橋臂的電壓波形和電流波形(截圖)

5 結(jié) 語

本文利用LabVIEW強(qiáng)大的串口通信功能和DSP優(yōu)越的電機(jī)控制性能，完成了對光聲圖像采集系統(tǒng)中掃描電機(jī)速度的快速穩(wěn)定精確控制。運(yùn)行結(jié)果顯示在線調(diào)速時(shí)間短，速度控制穩(wěn)定準(zhǔn)確，具有良好的操作性能和控制性能，為成像系統(tǒng)提供了一種利用LabVIEW控制電機(jī)掃描速度的方法，實(shí)驗(yàn)證明其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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