（检测技术与自动化装置专业论文）基于cpld和avr单片机的高精度esr测量仪的研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 血红细胞沉降率是医疗领域广泛应用的医学检测工具，用来检测产生各种炎症的疾 病。魏氏法是自1 9 2 4 年开始应用的传统测量方法，使用大量血液以及长达一小时的测 量时间。本文在对传统血红细胞沉降率测量方法深入研究的基础上，提出新的快速血沉 测量方法，并研究设计了光机电相结合的高精度血红细胞沉降率测量仪。 血红细胞沉降率测量仪的主要研究内容包括硬件和软件两大部分。硬件电路是测量 系统的核心，主要包括：基于c p l d 和a v r 单片机的电动机控制与驱动单元、电动机 速度检测单元、温度检测单元，液晶显示单元、串口通讯单元、打印机单元以及电源转 换单元等；软件部分主要包括：c p l d 的丹枞信号产生模块、电动机转速检测与控制 模块、a v r 单片机实现的外围电路控制模块、数据采集处理模块、l c d 液晶显示模 块、串口通讯以及打印等功能模块。 本文研究的血红细胞沉降率测量仪与传统血红细胞沉降率测量仪相比较，具有以下 创新点： 1 ) 提出新的快速血红细胞沉降率测量方法，提高了血红细胞沉降率的测量速度； 2 ) 采用c p l d 和a v r 单片机相结合，实现电动机的高精度、高稳定性控制，从 而提高了血红细胞沉降率的测量精度； 3 ) 在医疗设备中应用红外测量技术。 最后对设计制作的血红细胞沉降率测量仪进行了实验验证，分析了误差来源以及改 进方法。实验结果表明，本文设计的e s r 测量仪的测量精度高，稳定性好，达到了设 计要求。 关键词：e s r ，c p l d ，红外线，电动机 北京科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne s r m e a s u r i n g i n s t r u m e n tb a s e do nc p l d a n d a 腰 t h e 豇y i h 噼s e d i m e n t a t i o nr a t e ( e s r ) i s8 1 1e a s y - t o - p o t f o r mc l i n i c a ld i a g n o s t i ct o o l w i d e l yu s e dt om o n i t o r 趾a r r a yo f i n f l a m m a t o r yd i s e a s e s t h es t a n d a r dm e t h o df o rm e a s u r i n g e s ri st h a to f w e s t e r g r e na n dh a sb e e nu s e ds i l k 冶1 9 2 4 h o w e v e r , t h i sm e t h o d s 嚣al a r g e a m o l m to fb l o o da n dt a k e so v e i o n eb m 盯t oc o m p l e t e an 帆i n n o v a t i v et e c h n i q u ef o r m e a s u r i n ge s r i sp e f f o r m e d = i nt h i sp 辨t h ed e v i c ef o rm e a s u r i n gt h ee s ri sa l s od e s i g n e d i nt h i sp a p 簋 t h er e s e a r c ho f t h ee s r m e a s u r i n gs y s t e mi n c l u d e sh s l d w a r ea n ds o r w a r e t h eh a r d w a r e i st h ec o o ft h es y s t e m , i n c l u d i n gm o t o rc o n t r o la n dd r i v e rb a s e do nc p l da n da v r m i c r o p r o c e s s o r , m o t o rv e l o c i t yt e s t i n gp a s t , t e m p e r a t u r et e s t i n gp a r t , l c d $ s e r i a l c o m m u n i c a t i o np a r t , p r i n t e ra n dt h ep o w e r ；, t h es o f t w a r ei sc o m p o s e do f p w m g e n e r a t o r , l c d d r i v ec o d e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , a n ds oo n i nt h i sp a p e r , s o f t i en o v e lm e t h o d sw e r ep r o p o s e d 勰f o l l o w s , 1 ) a 璀巩i n n o v a t i v em e a s u r i n gm e t h o dw a sa m l y z e o , w h i c hc o u l de n h a n c e t h e v e l o c i t y g r e a t l y ；, 筋a d o p t t h e c p l da n d a v r m i c r o p r o c e s s o r t o c o n t r o l t h e m o t o r w i t h h i g h s t a b i l i t y a n d p r e c i s i o n ； 3 ) u s ep h o t o 船n s o ra sr e c o r d i n gs y s t e mi nm e d i c a li n s m a n c _ l t s e n s o rd e t e r m i n e st h e i n t e r f a c e a c c o r d i n g t o t h e i n t e n s i t y o f t h e p a s s e d l i g h t t h r o u g h v i a l t h e t e s t r e s u l t o f t h es y s t e ms h o w e d t h a t t h e f a s t m e a s u r i n g m e t h o d i n t h i s p a p e r h a d g o o d p e a f o r m a n c e b u t t h e r e a l s o e x i s t e d m e a s u r i n g e r r o r i n t h e e s g m e a s u r i n g s y s t e m t h e f l o i n c e o f t h ee r r o rw a sa n a l y z e da n dt h ei m p r o v i n gm e t h o d sw e r ep o tf o r w a r d k e yw o r d s ：e s r , c p l d , i n f r a r e dr a y ，e l e c u o m o t o r 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特， , l l j r j 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 日期：矽了f ，9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：踔 日期：加，7 i j 一 北京科技大学硕士学位论文 引言 血红细胞沉降率( e r y t h r o c y t es e d i m e n t a t i o nr a t e ，e s r ) 是一种非特定性的医学临床 诊断工具，其检测成本低、操作简便、适用性强，已在全世界各大、中、小型医院得以 广泛应用，用来诊断病人是否患有导致急性或慢性炎症的疾病【l 】传统e s r 检测伴有很 多问题，诸如，使用相对大量的血液( 约l m l 或者更多，难以从婴儿身上获得) ，而且 需要大约l 小时的检测时间。同时e s r 检测设备需要医务人员手动操作，这可能造成 血液污染，且需要具备相当高的操作技巧，否则难以测出值得信赖的结果园另外，血 沉管的内径、清洁度、放置位置垂直与否、室温高低等外部因素也直接影响血沉测定结 果。e s r 的变化与许多疾病相关，如结核病和风湿病的活动期、多发性骨髓瘤、类风湿 关节炎、心肌梗塞等。其测定结果受各种内部因素影响，如血浆蛋白的量与质、红细胞 的大小与数量及是否呈串钱状等。 通常的血红细胞沉降率测量方法有；魏氏法、库氏法、温氏法、潘氏法等。1 9 9 3 年，i c s h 推荐魏氏法为e s r 的标准参考方i 去1 3 】，由于该法手工操作干扰因素多，用血 量和生物危害大及检测时间长，给检验工作及临床诊断治疗带来诸多不便，限制了它的 进一步应用。 本文设计的血红细胞沉降率测量仪以a l t e r a 的c p l d 和a t m e l 的a v r 单片 机为核心部件，其中c p l d 是复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l ek 嚼c d e v i c e ) 的简称，是一种a s i c ( 专用集成电路) ，内部有大量的门电路，通过软件编 程可以实现这些门电路不同的连接关系，从而对外就可以完成不同的功能，并且这些门 电路的连接关系可以不断通过修改软件来改变几乎可以将整个系统集成在容量合适的 同一芯片内，大大减小系统规模，并且受外界的干扰很小，提高了系统可靠性【田因此 把c p l d 引入血红细胞沉降率测量仪中，将大大提高测量系统的数字化、集成化、小型 化，可以大大提高系统的稳定性和测量的精确度。 本文设计的血红细胞沉降率测量仪用独特的钡i 量方法进行e s r 分析，能连续且同步 地对多个血液试管做e s r 测量。而且能够独立跟踪每一个样品的沉降位置，并记录整 个分析过程的最终结果。 目前，血红细胞沉降率测量仪正向高速度、高精度、高度自动化方向发展，利用红 外线等高新技术设计的血红细胞沉降率测量仪为医疗自动化奠定了良好的基础。随着红 外测量技术的发展和电动机控制技术的提高，新型血红细胞沉降率测量仪将代替其它传 统血红细胞沉降率测量仪。本课题的研究具有较高的实用价值，将进一步推动e s r 测 一3 - 北京科技大学硕士学位论文 量技术的发展，促进国内开发出性能指标与国外同类产品水平相当甚至有所超越的e s r 测量仪，创造出可观的经济效益。 4 北京科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 血红细胞沉降率是临床诊断中测试的一项重要参数，e s r 是指红细胞在一定条件下 沉降的速度而言，简称血沉。e s r 是确定人体对炎症急性反应状态的快速方法阁。健康 人血沉数值波动于个较狭窄范围内，在许多病理情况下血沉明显增快嘲。 e s r 在风湿病、大多数的传染病以及癌症等情况下会升耐7 】虽然e s r 并不能诊 断某种特定的疾病，但是可以指明某种疾病的可能存在性。因此e s r 被称为一种急性 反应测试，意思是它可以反应身体的炎症和外伤状况阐 血沉值临床表现： 1 血沉增快在临床上较为常见，魏氏法不论男女其血沉值达2 5 m m h 时，为轻度增 快；达5 0 m m h 时为中度增快；大于5 0 m m h 则为重度增快 生理性增快：妇女月经期血沉略增快，这可能与子宫内膜破伤出血有关，妊娠三月 以上血沉逐渐增快，可达3 0 n a n h 或更多，直到分娩后3 周，如无并发症则逐渐恢复正 常。其增快可能与生理性贫血、纤维蛋白原量逐渐增高、胎盘剥离、产伤等有关6 0 岁以上的高龄者因血浆纤维原蛋白量逐渐增高等原因，也经常出现血沉增快现象。 病理性增快： 1 ) 各种炎症：发生细菌性急性炎症时，血液中急性反应相关物质( a c u t ep h a r e a c t a n t ) 迅速增多，包括a l 抗胰蛋白酶( o l - a n t i r 删n ) 、心巨蛋白( a 2 - m a c t o g l o b u l i n ) 、c 反应蛋白( cl x ：a c l i v cp r o t e i n ) 、肝珠蛋白( i m p t o g l o b i n ) 、 运铁蛋白( t r a n s f e a r i n ) 、纤维蛋白原( f i b r i n o g e n ) 等，以上成分或多或少地均 能促进红细胞的线状聚集，故炎症发生后2 - 3 天即可见血沉增快。风湿热的病 理改变结缔组织性炎症，其活动期血沉增快。慢性炎症如结核病，纤维蛋白原 及免疫球蛋白含量增加，血沉明显增快。临床上最常用血沉来观察结核病及风 湿热有无活动性及其动态变化。 2 ) 各种原因导致的高球蛋白血症( h y l 斌g l o b u i n e m i a ) 、亚急性感染性心内膜炎、 黑热病等所致的高球蛋白血症时，血沉明显增快，各种原因引起的相对性球蛋 白增高如慢性肾炎、肝硬化时血沉亦常增快。多发性骨髓瘤、巨球蛋白血症 时，浆细胞的恶性增殖致使血浆病理性球蛋白高达4 0 q 0 0 9 l 或更高，放血沉 增快。巨球蛋白症病人，血浆中i g m 增多，其血沉理应增快，但若i g m 明显增 多而使血浆沾稠度增高即高沾综合症时，反而抑制血沉，可得出一个正常甚至 5 北京科技大学硕士学位论文 减慢的结果。另外，恶性肿瘤、组织损伤及坏死、贫皿、高胆固醇积压症均可 导致血沉增快。 2 血沉减慢的意义较小，原因可能是血红细胞数量明显增多及纤维蛋白原含量严 重降低所致的脱水血浓缩、真性红细胞增多症和弥漫性血管内凝血等。 血沉降的过程通常可分为钱串状形成期、快速沉降期和缓慢沉积期。近年来研究发 现沉降过程有忽快忽慢的情况，其时间变化曲线呈s 形，不同疾病引起血沉加快时，快 速沉降的开始和结束时间有很大差异嗍。 1 2 本文的工作内容 本文主要工作内容如下： 1 1 快速检测血沉沉降数据，以便通过a v r 单片机计算出精确的血沉值； 劲采用c p l d 和a v r 单片机改进血沉测量系统的电动机控制技术，提高电动机 控制精度和e s r 测量精度； 3 1 红外技术在e s r 测量中的应用。 本课题主要进行e s r 测量系统的软、硬件设计，硬件电路设计主要包括电动机控 制与驱动单元、电动机速度检测单元、温度检测单元、液晶显示单元、串口通讯单元、 打印机单元以及电源转换单元等。 6 一 北京科技大学硕士学位论文 2 血红细胞沉降率测量原理与数据处理方法 2 1 血红细胞沉降率基本测量方法 血红细胞沉降率测定的是血浆中红细胞的沉降速率。传统测量方法有多种，如魏氏 法( w c s t e r g r m ) 、库氏法( c o u l t e r ) 、温氏法( w i 疵捌锄d i b r l e y ) 、潘氏法等 魏氏法为i c s h ( 国际血液标准化协会) 推荐的常规标准化方法。即用魏氏血沉管将 抗凝血液吸至“0 ”刻度处，直立于血沉架上，血沉管不得倾斜，亦不得混入气泡，室 温下静置一小时整，观察红细胞沉降的姗数，结果以红细胞沉降删n m 报告。测量结果 的有效性在于与炎症有关的蛋白质，特别是纤维蛋白原可以抵消红细胞z c t a 电势。红细 胞表面的负电荷使单独的红细胞互相排斥，故彼此分散悬浮而下沉缓慢，从而延长了沉 降时间唧。e s r 参考值如表2 1 所示： 表2 1e s r 参考值 性别成年男性成年女性 方矿 魏氏法 0 - 1 5 m m h o 2 0 m m h 潘氏法 0 - 1 0 m m h0 - 1 2 m m h 魏氏法存在以下缺点： 1 ) 魏氏法是一种手工测量法，测试结果会因操作人员的熟练程度而有所不同，另 外不适合大批量的测试。 魏氏法测试时间需要lh ，而且只记录lh 时刻的血沉值，得不到血沉中间变化 过程。样品测试只能分批进行，样品报告周期长，操作人员容易疲劳并产生误 报。 3 ) 魏氏管较细( 内径2 5 5r a m _ + 0 1 5m m ) ，不易清洗干净。如管壁粘有残存血 液，不仅使口径减小，而且会使阻力增大，使血沉减慢。 钔血沉以1 8 3 室温为基准，温度升高血沉值增大，温度降低血沉值减小，而且 通常没有温度修正，测量误差大 5 ) 血沉测试值和样品编号对应记录容易出错等。 其中魏氏法测量存在的测量误差是最为关键的，产生的原因如下， 7 北京科技大学硕士学位论文 1 ) 如果标本保存于室温下，则在抽血后两小时内必须进行测量；如果保存于4 下，在6 小时内测量。如果血液是e d t a ( 乙二胺四乙酸) 抗凝并保存于4 条件下，可在2 4 小时内进行测量； 2 ) e s r 值受测量过程中室温的影响。正常应在1 8 - 2 5 之间。如果温度过高，则 应重新建立e s r 正常值范围； 应避免静脉穿刺时被所用的皮肤消毒物所污染； 4 ) 血液中出现凝块时，测量结果无效； 5 ) 在稀释和混匀时，应细心操作； 6 ) 用“水一乙醇一丙醇”的顺序清洗玻璃管。另外，也可用水冲洗后排干水分， 并且干燥过夜；。 7 ) 必须保持玻璃管绝对垂直； 8 ) 如试管并不符合i c s h 提出的标准，管子的内径不同或试管不由玻璃而由塑料 制成，则必须通过实验确定该结果与标准方法是否具有一致性。如果没有，则 必须得出e s r 检测范围内两种方法结果之间的校正关系图。如果整个检测范围 内两种结果之间呈线性关系，则可得出一个校正因子。如果并不呈线性关系， 则必须建立该方法的正常值参考范围。 2 2 血红细胞沉降率快速测量法 本文提出的快速测量法的测试时间是魏氏法的一半，与魏氏法的相关性好。其工作 原理是根据红细胞沉降速率与沉降细胞的质量以及血浆和血球之间的密度成正比，而与 液体的黏度成反比。因此，采用单位时间内红血球沉降高度和样品总高度的百分比，并 把它换算成魏氏单位m m h 来表示。同时由于黏度对沉降率影响较大，故采用国际通用 的m a l a y 表换算到1 8 时的数值。 加入抗凝剂的血液中的红细胞在重力的作用下，在血浆中会自然沉降。沉降过程中 的第一步是形成串钱期，沉速较慢；第二步为快速沉降期；最后是堆积期，红细胞堆积 管底，沉速又转慢。如果不考虑血沉的病理情况，只考虑测试条件，则血沉值与使用的 血沉管的内径r 、血沉管中抗凝血的高度h 和抗凝血中红细胞的沉降时间t 等有关，即 e s r = f ( r , h ， ) 。本文采用数学中的映射原理提出了一种新的血沉检测方法，简称快 速法。具体来说就是改变血沉管的内径r ，使血沉管的内径增大，导致沉降过程时间缩 短。再通过大量实验比较找出魏氏法与快速法之间的映射关系函数，即：魏氏法测得的 血沉值e s ：= 石“，啊， ，) ，快速法测得的血沉值e s r f = 五如， 2 ，f 2 ，) ，如果找到 8 北京科撞大学硕士学位论文 石( ，j j i i ， ，) - - - f 2 ( r 2 ，屯，t 2 ，) 的映射关系函数g ( ，h ，) ，则快速法和魏氏法等价为 了保证血沉测量值的正确性，函数石“， ， ，) 到函数五( 吃，屯，岛，) 的映射变换必须一 一对应，即映射变换函数g ( r ，h ，f ，) 是一个单值函数 为寻找石( ， ，毛，) 到五( 吃，如，f 2 ，) 的映射变换函数，采用图2 1 所示测试系统 血红细胞 图2 1 测量系统图 l i 魏氏法采用血沉时间t i = 6 0m i n ，快速法血沉时间t 2 = 3 0m i n 。定义快速法在t 2 = 3 0 r a i n 时血沉百分比& m ( ) 为： m ( 呦= 1 0 0 ( a 一厶) ( 厶+ 幻 ( 公式2 1 ) l 1 代表开始测试时试管中红细胞高度( 零时间点) ，k 为3 0 m i n 末的红细胞高度。 k 为试管底和红外线最低检测点间距。为减小采样误差，采用了百分沉降率。由公式 2 1 计算出结果。 由曲线y = 甜2 + 缸+ c 可得出公式2 2 ，从而根据3 0 n d n 末的a ，b ，c ，求出1 h 魏 氏血沉 e s r ：- - b + 4 雩b 2 - 4 巫a ( c - y ) 9 ( 公式2 2 ) 北京科技大学硕士学位论文 其中，y = s m ( 呦；b 2 - 4 a ( c - y ) 0 。工作温度在1 5 c 3 2 o 之间时，可将结 果转换为1 8 ( 2 时的数据，以确保在不同温度条件下检测结果具有更好的可比性【l o 】。 血沉高度h 是根据红外线障碍法测定的结果。红外线发射、接收器成对运行于测试 管两侧，当红外线测控器由低端向高端移动时，大量红细胞阻挡了红外线的穿过，红外 线不能被接收器接收到。一旦红外线透过红细胞，接收器将捕获该信号，并通过a v r 单片机记录电动机运动到该水平时的高度值。 这里，采用模糊方法对魏氏法( t l = 6 0m _ i n ) 测得的血沉值和快速法( t 2 = 3 0m i n 时) 血沉百分比s 。( ) 的大量实验数据进行回归分析，模糊线性回归模型为： 矿= a l ( p l ，q ) 五+ 互( p 2 ，岛) 而+ + 互( 见，q ) 毛 ( 公式2 3 ) 式中，p ，c 分别为模糊函数氲p ，c ) 的中间值和跨距值，跨距表征函数的模糊度。 每个系数的隶属函数，白为： 删= p 1 q 输出模糊参数y 的隶属函数是： 删咐印】 将公式2 4 代入公式2 5 得： 以( ) ，) = ) ，一腑i i c , i 而 i - ii = 1 p i c t s x i p i 七c i 其他 ( 公式2 4 ) 4 y 2 ，“4 ) 6 ( 公式2 5 ) 其他 工0 而= 0y = 0 ( 公式2 6 ) 五= 0) ，0 1 0 北京科技大学硕士学位论文 式中：y 为血沉测量值；x 为血沉百分比曲( ) 。可以将回归模型变换为线性规 划问题确定其解，回归模型的目的是确定最优解互( p ，c ) ，使包含y i 的模糊输出集具有 的隶属值大于h ，取： 心执) ， j f f i l ，m ( 公式2 7 ) 回归中，力求寻找所有数据集有最小模糊输出跨距的模糊系数，取目标函数j 为： j f m i n ) j f 约束条件为： 乃乃嘞一( 1 一 ) q 嘞 jf 乃s 乃吻+ ( 1 一| i ) q ( 公式2 8 ) ( 公式2 9 ) ( 公式2 1 0 ) 式中：y j 是第j 号样本的输出；】【i i 是第j 号样本的第i 个输入变量由公式2 8 2 1 0 求出最优解互( p ，c ) ，得到魏氏法到快速法的映射变换函数式公式2 3 ，血沉百分比 s 矗。( ) 可通过测量红细胞沉降高度和红细胞初始高度计算得到，根据一( ) 值由 公式2 3 就可计算血沉值了 快速法是一种通过大量实验而获得的方法，由快速法设计的仪器实用、快速，经实 验验证效果良好，实践证明了快速法的可行性。快速法与传统的魏氏法相比具有以下几 方面的优点： 1 1 测试结果快速，基本适合大批量测试。测试完毕可直接输出结果，测量精度 高； 2 1 测试结果除提供血沉外，还提供红细胞沉降过程曲线，可帮助临床诊断； 3 1 测试系统能保证血沉管垂直效果，而且强大的软件功能可对测试结果进行修 正，保证测量的正确性。 北京科技大学硕士学位论文 4 ) 快速法所需的血沉管内径较大，抗凝血注入血沉管内不易起泡，而且容易清 洗，不易在管壁内粘有血迹，减少了误差，提高了测试精度。 5 ) 测试系统具有较强的软件功能。显示系统采用液晶显示器，显示整个被测样品 的测试状态，并提示操作人员进行操作。操作简单、可靠，测试结果和曲线不 仅可直接打印输出，而且可储存在仪器中，防止样品号和病人号之间不对应。 6 ) 大量的实验研究表明快速法具有与魏氏法很好的相关性。 一1 2 北京科技大学硕士学位论文 3 血红细胞沉降率测量仪的硬件设计 本文设计的血红细胞沉降率测量仪( e s r 测量仪) 的系统构成如图3 1 所示。可分 为红外探测和电动机控制两大部分。具体包括基于c p 【d 和a v r 单片机的电动机控制 与驱动单元、电动机速度检测单元、温度检测单元、液晶显示单元、串口通讯单元、打 印机单元以及电源转换单元等【1 1 1 1 2 】 昏符遭讯接睡卜+叶赫吁 液晶显示 坪申 e e x - 。_ 。_ _ _ 。- 。_ _ 。- _ 一 i 孽j l 红外检溅卜 片 l i z 。_ “机i 5 而 一 融度检溯! 卜 图3 1 红细胞沉降率测量系统结构框图 系统工作原理：e s r 测量系统通过c p l d 和a v r 控制直流电机的转动，从而带动 红外线发射接收管检测血液中的血红细胞沉降高度，c p l d 和a v r 单片机产生电机控 制信号p w m ，通过电机驱动模块控制电机转动，电机转速检测模块将检测到的转速信 息传送给a v r 单片机，由a v r 单片机判断转速是否符合要求，进而进行电机转速和 转向的控制，测量结果通过“d 4 0 0 2 显示，并由打印机打印出e s r 测量值。 3 2p w m 信号产生单元 直流电机一般由脉宽调制信号( p u l s ew i d t hm 0 d i l l a t i ，简称p w m ) 控制，p w m 信号一般通过模拟比较器产生，比较器的一端接给定的参考电压，另一端接周期性线性 增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时比较器输出低电平，当锯齿波电压大 1 3 北京科技大学硕士学位论文 于参考电压时比较器输出高电平。改变参考电压可以改变p w m 波形中高电平宽度的比 例。若用微机或单片机产生p w m 信号波形，需要通过d a 转换器产生锯齿波电压和设 置参考电压，并通过外接模拟比较器输出p w m 波形。外围电路比较复杂，这是基于 c p u 的p w m 控制的不足。因此本系统采用基于c p l d 和a v r 单片机的直流电机控制 方案，由c p l d 通过软件编程实现p w m 波形的生成。 3 2 1 直流电机控制 3 2 1 1 直流电机简介 在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无 论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在 日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有9 0 0 , 6 以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有6 0 用于电动机。电动机与人们的 生活息息相关，密不可纠埘。 电动机是电力传动系统中的原动机。它将电能转化为机械能，去拖动生产机械的工 作机构运动，整个系统的组成框图如图3 2 所示1 1 4 】： 图3 2 电力传动系统组成框图 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流 电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制 特性，高效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电动机( 如交流变频电动 机、步进电动机等) 的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的最佳选 择。 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制 领域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉 宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 控制方式已成为绝对主流。这种控制方式 很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。 - 1 4 - 北京科技大学硕士学位论文 3 2 1 2 直流电动机电枢的p w m 调压调速原理 直流电动机转速n 的表达式如公式3 1 所示， 【，一诹 栉= 一 x ( 公式3 1 ) 式中： i 卜一电枢端电压； 卜电枢电流； r 电枢电路总电阻； m 每极磁通量； k - - 电动机结构参数。 由公式3 1 可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的 励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和 的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态 响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件在对直流电动机电枢电压的控制和驱动 中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方 式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区这种方式的优点是：控制原 理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时会将 大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微 小功率直流电动机的驱动。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在 开关状态，通过脉宽调制p w m 来控制电动机电枢电压，实现调速。 1 5 - 北京科技大学硕士学位论文 图3 3p w m 调速控制的原理图 图3 3 是利用开关管对直流电动机进行p w m 调速控制的原理图。在图3 3 中，当 开关管m o s f e t 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 u 。f 1 秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0 t 2 秒后， 栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。 电动机的电枢绕组两端的电压平均值砜如公式3 2 所示， 砜。糕2 争皑 ( 公式3 2 ) 式中口占空比，口= f l t 。 占空比口表示了在一个周期t 里，开关管导通的时间与周期的比值。口的变化范围 为o 1 0 0 万小时； 5 、隔离特性好：产品输入输出间的电气隔离能力可达1 0 0 0 v d c 及3 0 0 0 v d c = 6 、工业级产品：产品工作环境温度为- 4 0 c 一8 5 ； 7 、外围电路简单：在一般应用中，输入、输出端均无需外接任何滤波及其它辅助 电路； 8 、内置输入滤波器，全六面金属屏蔽。 s r 5 s 1 2 1 0 0 型电源模块性能参数如表3 2 ，3 3 所示： 2 3 北京科技大学硕士学位论文 表3 2s r 5 s 1 2 1 0 0 的环境特性 工作温度 2 5 - , - + 8 5 最大壳温 + 9 0 存储温度 - 4 0 + 1 2 0 相对湿度1 0 曲o 表3 3s r 5 s 1 2 1 0 0 型电源模块管脚接口 管脚编号定义 l+ v m 一 2- v i n 3 v o u t l 4 n o p i n 5g n d 6n o p i i i 7n o p i n d c - d c 黔一 。 一 ”l o “ i 卡v i nv o u t ! ，v i ng n d i 一 。 耋髫 图3 8 电源接线图 3 3 2 电机转速反馈单元 在血沉仪中，电机转速是需要检测的重要参数圈。转速信号是通过转速传感器测量 而得到的，如果传感器不能稳定工作，电控系统也就无法正确地工作。所以，传感器的 性能直接关系到电控系统的性甜2 3 删。 转速传感器的类型很多，因光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高 等优点，所以本系统选择光电转速传感器来进行转速的检测。 2 4 北京科技大学硕士学位论文 光电转速传感器是根据光敏二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化的电子 器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，则接收器感应出相应的电信号它包含调制 光源由光敏元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输出装置，其工作原理如图 3 9 所示嘲： 图3 9 光电式传感器原理图 号盘 光电式传感器【肄7 】由独立且相对放置的光发射器和收光器组成。当目标通过光发射 器和收光器之间并阻断光线时，传感器输出信号。它是效率最高、最可靠的检测装置。 槽形( u 形) 光电开关是对射式的变形，其优点是无须调整光轴。 其中系统中信号盘由钢板制成，这个信号盘就是电机测速所用信号盘，盘上共有2 5 个齿，将信号盘与电机安装在一起，使其随电机转动；传感器安装在支架上，垂直于转 速盘，当转速盘旋转时，光电传感器就输出矩形脉冲信号，每2 5 个脉冲对应电机1 个 工作循环。 l 、检测装置安装 此检测装置完全按照电机上传感器的实际安装位置进行安装。如图3 1 0 所示，将信 号盘固定在电机转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。光电转速传感器接有4 根导 线，其中黑线、黄线为电源输入线，红线为信号输出线，白线为共地线。测量头由光电 转速传感器组成，而且测量头两端的距离与信号盘的距离相等。当信号盘转动时，光电 元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。信号盘旋转一周产生的脉冲数，等于其上的 齿数。因此，脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低。该装置的优点是输出信 号的幅值与转速无关，而且可测转速范围大，一般为i r s 1 0 4r s 以上，精确度高。 2 5 北京科技大学硕士学位论文 2 、转速测量原理 、 在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器发生 的脉冲个数( 即频率) ，从而算出实际转速。设固定的测量时间z ( r a i n ) ，计数器计取 的脉冲个数巩，假定脉冲发生器每转输出p 个脉冲，对应被测转速为n ( r n f m ) ，则 f = p n 6 0 ；另在测量时间内，计取转速传感器输出的脉冲个数应为j ，l l = 瓦厂， 所以，当测得碱值时，就可算出实际转速值n ：6 0 弛p 已，传感器输出的方波脉冲信 号如图3 1 l 所示。 本检测装置中电动机的转速传感器信号盘安装在曲轴上，工作时传感器输出信号经 整形后可得到相应的方波脉冲信号。利用c p l d 中设计的计数器，可得到设定时间r 内 脉冲个数p ，即可算出当前转速n ，如公式3 3 所示， ：丢( r r a i n ) 2 5 疋 图3 1 1 传感器输出的方波脉冲信号 2 6 ( 公式3 3 ) 北京科技大学硕士学位论文 3 3 3 电机转向反馈单元 图3 1 2 位置反馈模块 当电机带动血沉仪红外传感器运动到转轴最上沿时，设计一物挡住传感器光线，可 产生脉冲信号，作为单片机的外部中断输入信号，此时记录c p l d 计数值，电动机换向 运转，c p l d 开始反向计数，待到计数清零，则电机再次换向。如此重复运行，电动机 不断换向转动，直至接收到电机停转信号圆。 3 4 温度检测单元 e s r 值受测定过程中室温的影响。正常应在1 8 - 2 5 1 2 之间。如果温度过高，则应重 新建立e s r 正常值范围。工作温度在1 5 1 2 , - , 3 2 ( 2 之间时，将结果转换为1 8 ( 2 时的数 据，以确保在不同温度条件下检测结果具有更好的可比性嘲。 3 4 1 数字温度传感器 本设计采用数字温度传感器d s l 8 1 3 2 0 ，d s l 8 8 2 0 是d a l l a s 公司生产的单线数字 温度传感器，管脚排列如图3 1 3 所示圈，表3 4 为管脚描述。 g n d i ) q v d d n c n c n c 图3 1 3d s l 8 8 2 0 管脚排列 2 7 北京科技大学硕士学位论文 表3 4d s l 8 8 2 0 管脚描述 管脚名称功能 v m ) 电源输入端 g n d地 d q 数据输入输出端 它的特点如下： 采用单总线的接口方式 “单线总线”具有经济性好、抗干扰能力强和使用方便等优点，因此用户可轻松地 构建经济的传感器网路。 测量温度范围宽，测量精度高 d s l 8 8 2 0 的测量温度范围为- 5 5 + 1 2 5 ；在一1 0 c + 8 5 c 范围内，测量精度为 士0 5 c ，而同类型的单线数字温度传感器d s l 8 2 2 的精度仅为2 。 供电方式灵活 d s l 8 8 2 0 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此当数据线上的时序满足 一定要求时，可以不接外部电源。 测量参数可配置 1 3 1 8 1 3 2 0 的测量分辨率可通过程序设定为9 1 2 位 掉电保护功能 d s l 8 8 2 0 内部含有e e p r t ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定 值。d s l 8 1 3 2 0 的内部主要包括6 4 位的r o m 、温度传感器、非挥发的温度报警触 发器( t h 、t l ) 和设置寄存器4 个部分。 6 4 位r o m 6 4 位的光刻r ( 3 4 包含3 个部分，其中第一部分( 开始8 位，地址：2 8 h ) 是产品的 类型标号；紧接着的镐位是d s l 8 8 2 0 器件的序列号，该序列号是由生产厂商在出 厂前被设置好的，并且每个d s l 8 8 2 0 的地址序列码；最后8 位则是前面5 6 位数据 的循环冗余校验码。由于每一个d s l 8 8 2 0 的r o m 中的数据都各不相同，因此微控制 器就可以通过单总线对多个d s l 8 8 2 0 进行寻址，从而实现在单总线上挂接多个 d s l 8 8 2 0 器件。 温度传感器 2 8 北京科技大学硕士学位论文 温度传感器用于完成对温度的测量，它的测量精度可以配置成9 位、1 0 位、l l 位 或1 2 位4 种状态。温度传感器在测量完成后会将测量结果存储在d s l 8 8 2 0 的两个 8 b i t 的r a m 中，数据的存储格式如表3 5 所示( 以1 2 位转化精度为例) 表3 5d s l 8 8 2 0 的数据存储格式 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t ib i t o u 沿 2 32 22 12 02 - i酽 矿2 1 砒s bsssss 2 i 2 5 2 其中，高位字节中的前五位是符号位，若测得的温度大于0 ，则这5 位数据也都为 “0 ”，实际温度也就等于测到的数值与0 0 6 2 5 ( o 0 6 2 5 l s b ) 的乘积；若温度小于 0 ，则这5 位数据就都为“l ”，实际温度就等于测到的数值取反加i 后再乘以 0 0 6 2 5 。 例如+ 1 2 5 c 的数字输出为0 7 d o h ，+ 2 5 0 6 2 5 的数字输出为0 1 9 1 h ，- 2 5 0 6 2 5 的 数字输出为f f 6 f h ，_ 5 5 的数字输出为f c 9 0 h 。 d s l 8 8 2 0 温度传感器中还是一个存储器，该内部存储器包括一个高速暂存r 删和一 个非易失性的电可擦除的r 枷。后者存放高温度和低温度触发器t h 、t l 和结构寄存 器。前者包括了8 个连续的字节，前两个字节是测得的温度数据，第一个字节的内容是 温度的低8 位，第二个字节是温度的高8 位；第三和第四个字节是n i ，t l 的易失性拷 贝，第5 个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这3 个字节的内容在每一次上电复位时被 刷新；第6 、7 、8 个字节用于内部计算；第9 个字节是冗余检验字节表3 6 为 d s l 8 8 2 0 的暂存寄存器分布。 - 2 9 北京科技大学硕士学位论文 表3 6d s l 8 8 2 0 的暂存寄存器分布 寄存器内容地址 温度的低八位数据 o 温度的高八位数据 l 高温阈值 2 低温阙值 3 保留 4 保留 5 计数剩余值 6 ” 每度计数值 7 c r c 校验 。 8 设置寄存器 设置寄存器位于高速闪存的第5 个字节，这个寄存器中的内容被用来确定温度的转 换精度，寄存器各位的内容如表3 7 所示 表3 7d s l 8 8 2 0 的设置寄存器各位内容 b i t b 玎百b 5b 玎4b n 3b n 2b n lb n xr 1r oll 1ll 该寄存器的低5 位一直都是1 。t m 是测试模式位，用于设置d s l 8 8 2 0 在工作模式 还是在测试模式。r 1 和r 0 则用来设置分辨率，分辨率设置如表3 8 所示。 表3 8 分辨率设置 r lr o 分辨率温度最大转换时间 0o9 位9 3 7 5 m s 0l1 0 位1 8 7 5 m s 1o 1 1 位 3 7 5 m s ll1 2 位7 5 0 m s 3 0 - 北京科技大学硕士学位论文 d s l 8 8 2 0 的温度测量： 根据d s l 8 8 2 0 的协议规定，微控制器控制d s l 8 1 3 2 0 完成温度转换必须经过以下4 个步骤： 1 ) 每次读写前对d s l 8 8 2 0 进行复位初始化。复位要求主c p u 将数据线下拉 5 0 0 m s ，然后释放，d s