一种低成本PET扫描床控制电路设计毕业论文.doc

北京理工大学本科生毕业设计（论文）一种低成本PET扫描床控制电路设计毕业论文目录第1章 绪论11.1 控制电路对扫描床可靠性的意义11.2 设计新的控制电路的意义11.3 医学成像系统的广泛应用及发展前景第2章 系统设计2.1 设计要求2.1.1 课题说明2.1.2 课题基本要求2.1.3 其他要求2.2 设计方案第3章 元器件介绍3.1 STM32F103ZET6芯片介绍3.1.1 概述3.1.2 功能特点3.1.3 STM32F103ZET6芯片的管脚图及其内部结构3.2 CRYSTAL（晶振）的功能及作用103.3 AT24C16芯片介绍10 3.3.1 概述103.3.2 功能特点113.3.3 管脚图及内部结构图113.4 26LS31介绍123.4.1 概述123.4.2 功能特点123.4.3 26LS31管脚图以及时序图123.5 26LS32介绍133.5.1 概述133.5.2 功能特点133.5.3 26LS32管脚图以及时序图143.6 6N137介绍143.6.1 概述143.6.2 功能特性153.6.3 6N137引脚图和结构图153.7 TJA1050介绍163.7.1 概述163.7.2 功能特性163.7.3 TJA1050管脚图和内部结构图173.8 继电器183.9 按键输入183.10 伺服电机驱动器203.11 线性致动器213.12 拉线编码器22第4章 硬件电路设计及分析234.1 CAN总线通讯模块234.2 急停模块254.3 线性电路致动模块264.4 编码器模块274.5 位置电路模块284.6 电源模块294.7 伺服电机模块304.8 行程开关模块324.9 离合器控制电路模块344.10带电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）模块34第5章 总结35致 谢39参考文献36附 录 A37VI北京理工大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1控制电路对扫描床可靠性的意义在成像系统中，扫描床系统作为承载病人的工具，它的稳定性直接决定的一个产品整体的工作性能。PET作为一种大型的成像设备，目前已经在许多中大型医院中得到了普遍的应用。其中，扫描床部分是该类型的设备中关键的部分之一。而扫描床运动是否能精准到位，直接决定了后期仪器成像的准确性。因此一个性能可靠的控制电路，将会决定整个产品的用户体验度和产品的满意度。1.2设计新的控制电路的意义在实际生产中，由于要大规模应用生产，控制的电路板的设计并不会频繁改动。老一代的控制电路板体积大，并且面临着过老的电子元器件停产的问题。并且，随着目前仪器的发展速度和技术进步的速度，电磁兼容性问题也有待改进。为了解决这些问题，本毕设进行了新一代的PET扫描床控制电路的设计。新的控制电路将使用市面上较为稳定并且较新的元器件，保证了运行稳定的同时，确保了原件原料的供货不会出现停产等问题。1.3医学成像系统的广泛应用及发展前景现代医学的飞速发展促进了检测方法和显示方法向着更精确，更直观，更完善的方向发展。这促使了生物医学影像学占据了医学领域的重要位置，这也表示医学成像系统在未来的医疗诊断领域将占有主导地位。目前的现代医学影像系统主要有X射线成像系统，核医学成像系统，磁共振成像系统，超声成像系统，光学成像系统以及热、微波成像系统这几种。他们的成像原理以及成像功能均不同，拥有不同的适用范围。随着医疗成像系统的发展，单一的成像已经不能满足诊断的需要，目前医疗影像的发展正向着混合成像的方向发展，PET-MRI，PET-CT等混合成像系统已经被逐步的应用于日常医疗诊断中。混合成像的优势在于弥补了单一成像时各种成像方法的不足之处。其中PET是利用放射性同位素进行成像治疗诊断的仪器。向病人体内注射放射性同位素药剂，放射性的药剂进入人体后经过衰变，释放正电子，正电子与组织中的电子发生湮灭，产生了光子，被PET扫描仪的探测器接收。其中PET图像灰度数值反映的是示踪剂在人体内的分布密度数据，其中示踪剂浓度高的部位就是新陈代谢旺盛的地方。在做到混合成像的同时，随之带来的是其配件产品的电磁兼容性的要求将会更高的问题。为了保证其主要配件扫描床的控制电路不会在未来产品升级的过程中快速被淘汰，在设计新一代的控制电路时要注意电路板对其他产品的兼容性问题。第二章 系统设计2.1 设计要求2.1.1 课题说明在企业生产中，成本的控制对于企业的盈利多少有着至关重要的意义。对于老一代的扫描床电路，过老的元器件除了性能方面不如现今的元器件以外，体积方面也是很大的缺陷。应用新的芯片并对电路进行优化封装，可以降低电路板的体积，在其他硬件方面也可以减少用料，从而达到控制成本的目的。由于仪器具有强干扰的特殊性，在芯片的选择上，除了控制成本之外，还需考虑芯片的抗干扰能力，保证仪器的正常工作。本课题将对电路进行重新构建优化，在保证电路抗干扰能力与使用性能的同时，缩减电路板体积，节约空间以及物料成本，从而达到提高电路的控制能力并同时缩减PET扫描床成本的目的。2.1.2 课题基本要求1）新型电路一STM32F103ZET6芯片为核心；2）扫描床控制电路板用24V稳压电源做供电电源；3）扫描床可以根据上位机的指令完成以下运动：（1） 根据指令快速向左右进行水平运动；（2） 根据指令慢速向左右进行水平运动；（3） 根据指令快速进行上下的垂直运动；（4） 根据指令慢速进行上下的垂直运动；（5） 当扫描床运动至水平两端极限位置，扫描床能做到立刻停止运动；（6） 当扫描床运动至垂直两端极限位置，扫描床能做到立刻停止运动；（7） 当遇到特殊情况时，可以实现紧急停止；（8） 当上位机做出复位指令是，扫描床运动至初始位置。4）伺服电机使用220V交流电作为电源供应；5）在确保控制电路性能稳定的前提下，尽量降低控制电路的成本。应用电路设计相关软件进行电路重构优化；基于单片机原理、参考重要芯片的数据参数挑选合适的元器件并装配电路板；完成电路板封装，使电路板元器件在互不干扰的情况下缩小体积以降低成本。2.1.3 其他要求1）使用Altium Designer软件进行原理图的绘制和电路板的PCB封装2）焊接调试各个部件并最终焊接完成整板2.2 设计方案本设计是PET扫描床控制电路，将他应用在扫描床上，将能实现扫描床的水平垂直移位，并能确定扫描床是否到位，在PET扫描仪的环境中能抵抗扫描仪本身的干扰，完成命令的操作。本设计的总体结构框图如下图2-1：图2-1 系统总体结构框图 本设计以STM32F103ZET6为主芯片，该芯片为意法半导体公司的32位高密度增强型微控制器。它是基于ARM Cortex-M3内核，专门为需求低功耗，高性能，低成本的嵌入式开发设计的产品。STM32F103ZET6微控制器的最高频率为72Mhz，它的存储器由512Kb的Flash和64Kb的SRAM以及四个片选静态存储控制器组成。该微控制器能支持CF卡，SRAM，NOR，PSRAM以及NAND存储器。该芯片使用2.0V到3.6V电压供电，其内部具有8Mhz高频RC振荡器和40Khz低频RC振荡器。STM32F103ZET6微控制器上有丰富的外设：1） ADC（1） 3个12位ADC，21个输入通道，1秒转换时间； （2） 转换范围为0 - 3.6V； （3） 三倍采样和保持功能； （4） 温度传感器；2） D/A转换器 2个12为D/A转换器；3） DMA（1） 具有12通道的DMA控制器；（2） 支持多项外设：定时器、DAC、ADC、I2 S、I2 C、SPI和SDIO；4） 调试模式（1） JTAG接口和串行单线调试；（2） Cortex-M3 内嵌跟踪模块；5） I/O端口（1） 几乎所有I/O端口均可接受5V信号；（2） 具有112个快速I/O端口；6） 定时器（1） 具有4个16位通用定时器，每个都具有输入捕获、输出比较、单脉冲模式、PWM生成和编码器接口模式。可以产生中断和DMA请求；（2） 2个16位高级定时器，有死区时间可编程的互补输出功能和刹车功能。可产生中断和DMA请求；（3） 2个可用来驱动DAC的基本定时器；（4） 具有2个看门狗定时器（包括了独立看门狗和窗口看门狗）；（5） 具有系统嘀嗒定时器：24位向下计数器；7） 通信接口 （1） 2个接口（SMBus和PMBus）； （2） 5个USART； （3） 3个18Mb/s的SPI，2个和I2S接口复用； （4） 1个CAN接口； （5） 1个SDIO接口；本设计可以分为：CAN总线模块、串口调试模块、急停模块、线性致动电路模块、编码器电路模块、位置电路模块、电源电路模块、伺服电机驱动模块、行程开关接口模块、离合器控制电路模块、外部接口模块、EEPROM模块以及STM32主芯片模块。而这些模块根据实现的功能将被分为六个部分：水平方向的闭环运动回路、垂直方向上的闭环运动回路、位置电位器模块、CAN总线通信模块、EEPROM模块、急停模块与串口调试模块。在水平方向上，使用伺服电机作为其动力的来源。在伺服电机的驱动下，完成PET扫描床的慢速或者快速的水平移动。在其基础上，采用光电编码器作为闭环控制回路，随时反映速度和位置的信息。确保PET扫描床水平方向上运动的正常。垂直方向上，由线性致动器提供动力源来完成扫描床的垂直快速慢速运动，并使用拉线编码器作为闭环控制回路的元器件来反馈垂直方向的高度和速度信息。同时，为了确保扫描床的运动不会超出预设的轨道范围，在水平和垂直方向上，均使用了行程开关。其作用是当扫描床运动到极端位置（最高、最低、最左、最右）时，接触到行程开关，便向伺服电机与主控板发出一个高电平，从而使扫描床停止运动。位置电位器模块可以将机械的角度位移量转换为电信号，其作用为通过得到的电信号反映得到扫描床的水平位置信息，这样的作用是即便当扫描床断电后，只要重新上电就能读取当前位置，便于扫描床位置的确定。CAN总线通讯模块的主要是为了实现与PET扫描床上位机的通讯。在PET扫描床正常工作时，操作人员通过控制面板上的按键向扫描床发出运动指令，通过CAN总线通讯模块，扫描床可以做到接收指令并对指令做出相应的运动反应。EEPROM模块的全称为带电可擦除可编程只读存储器模块，其最大的特点是具有掉电保护功能。所以，该模块的作用是用于存放断电后需要保护的数据，并通过I2C与主控板通讯。急停模块和行程开关模块则都是外部中断程序，其作用均是在一定情况下，使扫描床停止运动，保护扫描床的部件不会损坏。串口调试模块则只用于开发调试阶段，其功能是进行程序测试，测试完毕批量生产时，不会使用此模块进行工作。第三章 元器件介绍3.1 STM32F103ZET6芯片介绍3.1.1 概述STM32F103ZET6芯片使用ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（拥有高达512k 字节的闪存和64k字节的SRAM），该芯片具有丰富的增强I/O端口，并且有联接到两条APB总线的外设。3.1.2 功能特点1) 使用ARM Cortex-M3 32位处理器，具有高性能，低功耗，低成本的特性；2) 内置大容量闪存，用于存放数据和程序；3) 内置大容量SRAM，使CPU能以0等待周期访问（读/写）；4) 具有FSMC（可配置的静态存储器控制器），支持PC卡，CF卡，SRAM，PSRAM，NOR和NAND；5) 具有LCD并行接口，可以方便的实现构建简易图形的应用环境；6) 嵌套的向量式中断控制器（NVIC），能够处理多达个可屏蔽中断通道和16个优先级；7) 供电电压为2.0V-3.6V；8) 具有灵活的12路通用DMA，可以轻松的管理存储器到存储器，设备到存储器和存储器到设备之间的数据传输；9) STM32F103ZET6具有两个高级控制定时器，4个普通定时器，2个基本定时器以及两个看门狗定时器和一个系统滴答定时器；10) 具有2个总线接口，能够工作于多主模式或从模式，支持标准和快速工作的模式；11) 具有通用同步/异步收发器；12) 具有USB（通用串行总线），内置了一个兼容全速USB的设备控制器。13) 具有ADC（模拟/数字转换器），可以实现同步的采样和保持，交叉的采样和保持，单次采样的逻辑功能；14) 具有DAC（数字/模拟转换器），拥有的2个12位带缓冲的DAC通道可以转换两路数字信号成为两路模拟电压信号并输出，这个功能可以通过反向的放大器和集成的电阻串来实现；15) 具有一个温度传感器，可以产生一个随温度变化的电压信号，转换范围在2V-3.6V之间；16) 芯片拥有丰富的库函数可以供开发者来进行调用；17) 芯片品质优秀，制作精良。3.1.3 STM32F103ZET6芯片的管脚图及其内部结构STM32F103ZET6的管脚图如图3-1所示：图3-1 STM32F103ZET6管脚图STM32F103ZET6的内部结构图如图3-2所示：STM32F103ZET6主系统由四个主模块和四个从模块组成，其中，主模块包括了DCode总线、系统总线、通用DMA1和通用DMA2。从模块包括了内部SRAM、内部Flash、FSMC以及AHB到APBx的桥。其中所有外设都连接在APBx桥上。图3-2 STM32F103ZET6内部结构图3.2 CRYSTAL（晶振）的功能及作用虽然在STM32F103ZET6中已经提供了经过校准的时钟，但是精确度并不满足我们扫描床的设计要求，于是我们采用了单独的晶振来作为工作电路的时钟，在应用的电路中，我们使用的是8MHz的晶振和32.768KHz的晶振，由此提供两个不同的时钟频率。3.3 AT24C16芯片介绍3.3.1 概述AT24C16是EEPROM（带电可擦除可编程只读存储器）模块的主要芯片，它用于存储扫描床断电后需要保护的数据。该模块可以与主板进行通讯。3.3.2 功能特点1) 工作电压为1.8-5.5V；2) 存储空间为16K；3) 两线串行总线；4) 施密特出发；5) 8位页写模式，允许局部页写操作；6) 期间内部写周期最大10ms，可靠性高；7) 具有100万次读写周期和长达100年的保存时间；3.3.3 管脚图及内部结构图管脚图如图3-3所示：图3-3 AT24C16管脚图内部结构图如图3-4所示：图3-4 AT24C16内部结构图3.4 26LS31介绍3.4.1 概述26LS31是符合美国电子工业协会（EIA）标准的几口电路，由四个互相补充的线驱动器组成。因为这个芯片的输出电流比较大，所以它能对称驱动双绞线或并行传输线，它能与TTL和DTL电路兼容，并且断电时该芯片的输出为高阻态。3.4.2 功能特点1) 驱动能力强大；2) 5V单电源供电；3) 支持三态输出；4) 适用于多机通讯。3.4.3 26LS31管脚图以及时序图26LS31的管脚图如图3-5所示：图3-5 26LS31管脚图26LS31的时序图如图3-6所示：图3-6 26LS31时序图3.5 26LS32介绍3.5.1 概述26LS32由四个互相补充的线接收器组成，他可以接受对称的和非对称的传输数据。其采用一个公共的使能端控制四个接收器的输出随着输入的变化而变化（高电平/低电平/高阻态）。当输入端为开路时，芯片的输出将保持高电平。同时，由于26LS32具有三态输出的特点，因此可以与数据总线相连接。3.5.2 功能特点1) 可以接受对称和不对称的数据；2) 输入开路是输出为高电平；3) 三态输出，可直接与数据总线相连。3.5.3 26LS32管脚图以及时序图26LS32的管脚图如图3-7所示：图3-7 26LS32管脚图26LS32的时序图如图3-8所示：图3-8 26LS32时序图3.6 6N137介绍3.6.1 概述6N137光耦合器是一种用于单通道的高速光耦合器，在其内部有一个波长为850nm的AIGaAs LED和一个集成检测器。集成检测器由一个光敏二极管、一个高增益线性运放和一个肖特基钳位的集电级三极管组成。该光耦可以实现电压补偿和电流补偿以及温度补偿功能，并且有高的输入输出隔离和LSTTL/TTL兼容。3.6.2 功能特性1) 转换率高达10Mb/s；2) 摆率高达10KV/s；3) 扇出系数值为8；4) 逻辑电平输出；5) 集电级开路输出；6) 温度范围在-40-85。3.6.3 6N137引脚图和结构图6N137的引脚图如图3-9所示：图3-9 6N137引脚图6N137的内部结构图如图3-10所示：图3-10 6N137内部结构图3.7 TJA1050介绍3.7.1 概述TJA1050是控制区域网络（CAN）协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。该芯片可以为总线提供差动信号发送能力，并能够为CAN控制器提供差动接收性能。其中，TJA1050符合ISO 11898标准，所以，它可以和其他符合该标准的收发器进行协同操作。同时，电磁兼容性（EMC）是该器件的一个重要特点。另外，除了EMC之外，TJA1050拥有另一个重要特性，即在没有上电的时候，总线呈现无源特性，这就保证了TJA1050可以通过不通电来实现低功耗。除此之外，TJA1050和老版本的PCA82C250芯片的引脚相互兼容，这保证了在更新换代中，可以直接使用在老版本的电路中，不需要修改PCB图。3.7.2 功能特性1) 高速率（最高可以达到1Mb/s）;2) 电磁辐射（EME）极低；3) 电磁抗干扰（EMI）能力极强；4) 没有通电的节点并不会对总线造成信号干扰；5) TxD引脚有防止钳位在显性总线电平的超时功能；6) 静音模式中具有只听模式和Babbling Idiot保护；7) 可以保护总线引脚，防止了电磁干扰环境中的瞬态扰动；8) 输入级和3.3V以及5V的器件兼容；9) 输出端驱动器具有温度保护的功能；10) 防止了电池对地的短路；11) 至少可以连接110个节点；12) 完全符合ISO 11898标准；3.7.3 TJA1050管脚图和内部结构图TJA1050的管脚图如图3-11所示：图3-11 TJA1050管脚图TJA1050的内部结构图如图3-12所示：图3-12 TJA1050内部结构图3.8 继电器继电器是利用了电流效应来实现电路的闭合和断开的装置。用于自动保护和自动控制。它作为一种电控制元件，是一种当主动变量的变化达到一定的量时，实现电器电路输出中，被控量发生预定的阶跃变化的一种电器元件。继电器实现了控制系统和被控量之间的互动。这种元器件一般应用于自动化控制电路中。继电器本质上是用小电流控制大电流运作的一种开关，所以其功能主要是为了实现用弱点对强电进行控制。因此，继电器在电路中可以实现保护电路，并能够自动调节电路，一定情况下可以实现电路的转换的功能。本电路中使用欧姆龙G2R-2-DC5V功率继电器。使用的开关电压为5V，而开关电压则用EL817光耦开关进行控制，管沟开关电压的电压为3.3V，由此实现了使用3.3V电压控制继电器的功能。3.9 按键输入按键是电路系统中常用的信息输入的方式之一。键盘则通常是一组按键的组合。按键是一种触点处于常开状态的按钮型开关，当按键按下，触点闭合，电路行程通路。在实际应用中，键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘通过硬件电路产生CPU的中断请求信号。这种键盘使用起来很方便，所需要的驱动程序也非常简单，但硬件电路设计的时候有点复杂，通常是不用在单片机产品中的。非编码键盘从组成结构上来进行那个分类可分为独立式键盘和矩阵式键盘。这两种键盘的工作原理是类似的，但是独立式键盘在硬件结构和软件设计上相较于矩阵式键盘都比较简单。独立式按键每个按键占用一条I/O线，当按键数量较多时，会导致I/O口的利用率较低，但是相对的程序编制时就较为简单。所以独立键盘适用于所需要的按键较少的场合。在按键按下的过程中，这是一个机械动作，在实际应用情况下，按键不会直来直去完成瞬间断开或者瞬间闭合。相反，在按键被按下去或者是松开的一瞬间，它会产生一个10ms左右的输出电压的波动，这就是硬件电路设计上所说的的按键的抖动（如图3-13所示）图3-13 按键抖动示意图为了确保电路的运行稳定，使每次按键时单片机进对一次按键进行一次动作反应，就必须消除按键的抖动。按键消抖的有硬件电路设计消抖和软件消抖两种方法。在本次设计中，由于按键数量较少，我们利用电容延迟放电，并联电容来实现硬件消抖的目的，消抖电路如图3-14所示：图3-14 硬件消抖电路3.10 伺服电机驱动器在扫描床的运动中，伺服电机为扫描床提供水平运动的动力。伺服电机指的是由伺服系统中控制机械元件运转的电机。它是一种辅助电机间接变速的装置。伺服电机是将电信号转换为转矩和转速信号来对电机进行驱动的装置，所以伺服电机可以做到精确控制速度和位置。这是因为伺服电机的转子的转速受到输入信号的控制，同时伺服电机具有机电时间常数小，线性度高等特性，并且具有当没有输入信号时无自转现象的特点，同时它的转速会随着转矩的增加而匀速下降。伺服系统是一种自动控制系统，它可以使物体的位置，状态，方位随着输入值的变化而变化。伺服主要靠接收脉冲来实现，每接收到一个脉冲，伺服电机就会旋转一个角度，同时，伺服电机本身也会根据自身旋转的角度发出对应的脉冲数量。这样，通过发出的脉冲数和接收到的脉冲数的互相反馈，就能够使系统实现对旋转角度的精确控制。为了控制伺服电机的运动，那就需要伺服电机驱动器来对电机进行驱动，本设计采用了松下MINAS A5系列伺服电机驱动器。目前市面上的伺服电机驱动器使用了数字信号处理器作为驱动器的控制核心，使用这类核心的好处是可以实现较为复杂的控制算法，方便了一些复杂动作的实现。这款驱动器采用了快速便捷的调整功能，具有目前业内最多的4个陷波滤波器，并且具备了自动设定的制振滤波器。并且松下公司对该类型的电机进行了体积重量上的优化，真正做到了小型化。伺服电机驱动器和电机如图3-15所示：图3-15 松下A5系列伺服电机驱动器和电机图3.11 线性致动器在扫描床中，线性致动器为扫描床的垂直方向的运动提供了动力。线性致动器是是由具有磁铁无杆缸构成的驱动部件、在驱动部件的驱动下进行运动的滑台、用于沿直线引导滑台的导轨以及分别连接到驱动部件的第一端部和第二端部的一对端块组成的。它主要靠螺杆的正反转实现扫描床的上升和下降。线性致动器如图3-16所示：图3-16 线性致动器3.12 拉线编码器本设计中，拉线编码器用于测量扫描床运动的速度。使用了ZQ-EC-400拉线编码器，这款编码器的行程可以达到1500毫米，最大的解析度可以达到0.25毫米，比较适合应用于对位移的精度要求较高或者是行程距离较长的场合。拉线编码器如图3-17所示：图3-17 拉线编码器第四章 硬件电路设计及分析4.1 CAN总线通讯模块CAN是Controller Area Network的英文缩写，即控制器局域网。CAN是一种多主方式的串行通讯总信啊，它拥有较高速率传输数据的优势。并且，当传输距离较长甚至达到10公里的时候，传输速度仍能达到5Kb每秒。同时，CAN通讯的抗电磁干扰能力也十分优秀。这种抗电磁干扰的能力使得CAN通讯方式在电子行业，航空工业，自动控制等领域应用广泛。在CAN总线通讯中，总线的电平有显性电平和隐性电平两种。CAN总线物理层通常是双绞线。当逻辑1被输入到总线中时，两条线的电压为2.5伏，这种情况被定义为隐性。当逻辑0被输入到总线当中是，两条线一条被上拉到了5伏，另一条被拉低到地，这种情况被定义为显性。如果出现了显性和隐性同时被写入总线中的时候，总线将会显示显性，即会出现显性覆盖了隐性的情况。这是CAN网络冲突检测的基础。在总线上执行的是与逻辑运算，当线性电平显示为1，隐性电平为0时，经过与逻辑运算，输出结果为1，从而显示显性电平。CAN的存在形式有两种情况，一种是具有11位的BasicCAN，另一种是带有扩展成29位ID标识符的高级形式PeliCAN。Philips、Intel、Siemens均支持BasicCAN 和PeliCAN。其中，PeliCAN 协议允许了两段长度的标识符：A部分使用11位报文标识符，可以对2032个不同的标识符进行识别，此部分可以兼容BasicCAN；而B部分的PeliCAN有29位,能够对536870912个不同的标识符进行识别。其中报文传输包括了五种帧类型，他们分别是数据帧，遥控帧，错误帧，过载帧和帧间隔。CAN的优先权的基本特点是，当一个报文编号越低，它的优先权相对的就越高，最简单的例子就是如果一个标识符全部为0，那么它的报文就具有最高的优先权。所以，当两个节点同时开始进行数据传出时，如果一个发送的是0而另一个发送的是1，那么发送0的那个的数据就会拥有优先权，可以优先分配使用CPU完成数据报文的发送。这种逐位仲裁的监测方式可以与每个节点对自己的发送能力的监控进行联合使用。CAN协议有五种错误检测的方法：三个是报文级的，而两个是位级的。当一个报文出错时，就会使用这五个检测方法中的任意一个方法，使得节点不能接受到这个报文，同时产生一个错误帧，让所有的帧都能够忽略它，之后使发送节点重新发送报文。在报文级检查中，有CRC检查和应答隙。CRC检查是一个15位CRC，它计算描述符场和数据字节的CRC。应答场有两位，包括一个应答位和一个应答界定符。这个发送器将会把一个隐性位放在应答场。任何一个正确接收报文的节点在应答场写一个显性位，如果发送器在应答场没有读回一个显形位，它将产生一个出错帧，并重新传送报文。最后在报文级还有一个形式检查，它检查那些总是隐性位的报文场，如果检测到显形位就会产生错误，它检查帧起始、帧结束、应答界定符以及CRC界定符位。在位级检查中，每一个位都由发送器监控，如果一个位被写进总线但读到的是它的反，错误就会产生。只有标识符场用于仲裁和应答隙是除外的，它要求显性位覆盖隐性位。最后的一种错误检测方法是通过位填充规则，当一个报文没有被填充，即如果在逻辑电平相同的连续5位后下一位不是前面的反，则产生一个错误。活动错误帧包括六个显形位，它们违背了位填充规则。所有的CAN节点都认为它是一个错误并产生自己的错误帧，所以错误帧的长度可以在6位和12位之间，错误帧后是8位隐性位界定符场，而总线在重发被破坏的报文前是空闲的。要注意报文在被成功接收之前仍要争取仲裁。在该模块的电路中，该模块使用了两个6N137光电耦合器，在该电路中，使用这两个光耦的主要作用是为了使输入输出的信号的杂质更少，即去除杂质的作用。在电路中，信号由CAN-IN处输入，经过TJA1050芯片，经过6N137处理去噪传递给STM32主芯片，同时，主芯片的数据经由6N137去噪后，通过TJA1050，经CAN-OUT口输出给上位机进行显示。其中CAN模块电路图如图4-1所示：图4-1 CAN总线通讯模块电路其中TJA1050和上位机相接的部分使用了双向稳压二极管其中，为了提高信号电流，在TJA1050的1管脚和6N137的6管脚处接入了上拉电阻，以确保单片机输出信号的驱动能力。4.2 急停模块为了防止人员在使用扫描床的时候发生意外情况，急停模块也是必不可少的模块之一。所谓急停模块，就是指在紧急时刻，可以做到让扫描床立即停止运动，以防止对伤者造成更严重损伤的模块。急停模块的设计思路是，当按下急停按钮时，扫描床断电停止工作，此时，通过手动操作，将扫描床复位，确保患者安全。安全模块的电路设计并不复杂，使用EL817光电耦合器，当按下急停按键时，光耦内部二极管发光，光敏原件导通，3号4号管脚接通，ZSTOP管脚无电压输入，从而实现紧急断电的功能。急停模块电路图如图4-2所示：图4-2 急停模块电路与之相对应的是复位模块，其功能与急停模块类似，是为了紧急时刻可以将扫描床移动至最左端的操作模块。复位模块电路如图4-3所示：图4-3 扫描床复位电路4.3 线性电路致动模块线性电路致动模块使用了74LS14六施密特触发反相器。74LS14六施密特触发反相器不存在放大的功能，而是施密特触发电路功能。当输入电压由低向高变化时，若电压超过正向阈值电压Vt+，输出为低电平。当输入电压由高向低变化时，输入电压要低于另一个阈值电压Vt-时，输出为高电平。线性致动器是由磁铁无杆缸所构成的驱动部件、在驱动部件的驱动作用下进行运动的滑台、用于沿直线引导滑台的导轨以及分别连接到驱动部件的第一端部和第二端部的一对端块构成的，其中：导轨安装在滑台的凹槽中，导轨沿大致垂直于滑台运动方向的宽度方向上的尺寸小于滑台的宽度。其主要作用是为了实现扫描床的垂直运动。该模块的电路图如图4-4所示：图4-4 线性致动器模块 其中ZTGDY（43）端口输入的PWM波决定了线性致动器的速度，即决定了扫描床的垂直移动的速度。ZTGKZ（42）端口输入的值则决定了线性致动器的正转反转，即决定的是扫描床的上升和下降。当ZTGDY输入为高电平的时候，线性致动器开始工作，其中经过反相器是为了对输入信号进行去噪，以减少对电路的影响。ZTGDY输入的高电平经反相成为低电平，U12光耦导通，此时Q2导通。在Q2导通的情况下，当ZTGKZ输入为高电平时，U14的输入信号经过两个反相器，信号不变，仅仅是对其进行了去噪。U15输入信号经过一个反相器，输入信号相反，这就决定了当ZTGKZ的输入电平改变时，U14与U15中仅有一个会导通，经过Q3、Q4、Q5、Q6的处理，通过每次对角导通，使TGSC1和TGSC2的输出电平相反，从而达到使线性致动器完成正向旋转和反向旋转的目的。4.4 编码器模块编码器模块中，主要是连接拉线编码器与STM32的过渡电路，其主要功能是为了去除拉线编码器所传输给主芯片的信号中的噪声，使信号更干净，便于主芯片对其进行处理，其中使用了2630光耦迎来去除信号中的噪声，同时使用通过双反相器的方法，对信号中的噪声进行处理。其中，对2630的输出管脚-第7管脚和第8管脚使用了上拉电阻，目的是为了提高光耦输出信号对STM32的驱动能力。编码器模块的去噪电路图如图4-5所示：图4-5 编码器模块去噪电路电路图4.5 位置电路模块位置电路模块使用WDD35系列角度传感器，这种传感器具有多种电阻和线性度可选，拥有导电塑料基体，机械寿命长，噪声小，分辨率高等特点。是用于确定扫描床位置的重要传感器。位置电路模块的电路图如图4-6所示：图4-6 位置电路模块电路图其中，WDD35角度传感器如图4-7所示，其中，接线柱1和接线柱2是滑动变阻的两端，分别接入电路中的AGND和ZAWQ-INPUT1，接线柱3接入ZDWQ-INPUT。这样，随着扫描床的移动，角度传感器中的滑动变阻器产生不同的分压，从而使ZDWQ-INPUT的输入值产生变化。ZDWQ-INPUT值的变化导致ZDWQ-AIN的值产生变化，这个值传给STM32主芯片，经处理得到扫描床的当前位置。图4-7 WDD35角度传感器接线柱分布图4.6 电源模块电源模块提供了电路板中使用的几种电压值的供电源压值转换，利用电源模块以及MAX873和LM1117可以实现电压值的转换，其中，使用VRB2415D实现了电压值从24V到15V的转换；使用VRB2405D实现了从24V到5V的电压转换；利用LM1117实现了5V到3.3V的转换。其中，输出端使用电解电容和陶瓷贴片电容来去除纹波和浪涌，防止电压瞬间过大烧坏电路，并确保了输出电压的稳定性，减少了电源电压的噪声对电路信号的影响。其中，电源模块电路图如图4-8所示：图4-8 电源模块电路图4.7 伺服电机模块这个模块用于操作伺服电机驱动器，首先是控制伺服电机开关和复位的电路（图4-9），这部分电路使用了TLP521-4光耦，使用光耦的目的是为了降噪，使主芯片传给伺服电机驱动器的信号更加干净。其中，光耦的16引脚接入伺服电机驱动器警报清除输入。光耦的14引脚接入驱动器的指令脉冲禁止输入口，此口导通后，伺服电机停止接收脉冲，运动停止。光耦的12引脚接入驱动器的伺服ON输入口，此接口导通，伺服电机进入工作状态。图4-9 伺服电机模块电路1之后使用的是伺服警报输出口，其功能是当伺服电机运作出现问题是，做出警报提示，电路中使用上拉电阻提高对主芯片的驱动能力，工作原理是伺服电机驱动器输出报警信号，光耦导通，STM32主芯片导通收到信号，显示给上位机，完成警报显示。（图4-10）图4-10 伺服电机模块电路2之后是对伺服电机驱动器进行信号输入的电路，通过光耦对STM32主芯片传出的信号进行去噪，经过26LS31来和驱动器进行通讯，其中芯片的2、3、6、5管脚为输出的脉冲信号，传递给驱动器的脉冲信号输入口，驱动伺服电机完成运动。电路如图4-11所示，其中添加了上拉电阻，来提高对26L31的驱动能力。图4-11 伺服电机模块电路3 最后是转矩监测输出口，其目的是为了在伺服电机完成动作后，接收其反馈回来的脉冲，目的是为了监测伺服电机的运动是否到位。其反馈信号通过光耦去噪传输给STM32主芯片，实时监测伺服电机工作状况。（图4-12）图4-12 伺服电机模块电路34.8 行程开关模块行程开关模块是为了限制扫描床垂直方向与水平方向的移动距离，当移动到边缘时，撞击开关断开电路扫描床停止移动。其中包括了两个电路模块：垂直运动的行程开关和水平方向上的行程开关。水平位置上的行程开关电路图如图4-13所示：其中，R88排阻接在伺服电机驱动器的8接入口（负方向禁止输入接口）和9接入口（正方向禁止输入接口）。当触碰到行程开关是，光耦导通，STM32芯片接收到电压信号，停止伺服电机运动。垂直位置上的行程开关电路图如图4-14所示：垂直方向上的行程开关运作方式与水平方向上相似，只不过控制的是提供垂直方向动力的线性致动器。图4-13 水平方向行程开关电路图4-14 垂直方向行程开关电路4.9 离合器控制电路模块离合器控制电路主要是为了控制离合器的开关的控制电路，其电路如图4-15所示：电路中使用了继电器作为控制的主要部件，继电器处在常开的状态，当STM32主芯片给出信号的时候，光耦导通，三极管导通，继电器管脚1管脚8导通，继电器从常开变为断路，离合器停止动力传动，扫描床停止动作。图4-15 离合器控制电路模块电路图4.10带电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）模块这部分电路应用AT24C16芯片，为了提高对STM32主芯片的驱动能力，添加了上拉电阻。电路图如图4-16所示：图4-16 EEPROM模块第五章 总结随着电子技术的发展，医疗仪器正向着高智能化发展。电子技术的发展带来的集成电路的发展使仪器向着小型化、便携化发展。医学成像处理器技术的发展，满足了目前对便携，高性价比，低功耗且成像质量高的医学成像系统的需求。老式的不可编程处理器或是那种专用图形处理器无法满足新一代医学成像设备对便携性，灵活性，可扩展性的要求。相对的，多核数字信号处理器是将是解决这些要求的最好方法。多核处理器催使了新一代医学成像系统的诞生，同时，新的医学成像系统又会产生新的诊断方法和治疗方法，最终提高了医疗诊断的水平。医疗仪器的发展不仅仅需要科学本身的进步，同时也需要大的集团，拥有高科技的组织，要有完善的基础设施支持，拥有雄厚的资金支持，最重要的是有做出医疗仪器创新的心。同时，好的医疗仪器还需要有高水平的使用人员才能发挥出其真正的作用。好的仪器若果使用不当，不仅无法发挥出其真正的价值，而且还可能产生不好的效果。这样不仅对患者会造成伤害，同时还会对医疗仪器厂家的声誉产生不好的影响。这就要求了厂商在未来的生产中，要与一线的临床工作人员紧密结合，制造出更人性化，人机体验更强的医疗仪器。在本次毕业设计中，我了解了去噪电路的应用，知道了该如何防止纹波和浪涌现象的产生，学会了STM32芯片的基本应用，并且学习到了模块化电路的设计方法。知道了如何把单纯的融会贯通用于实践生产，提高了对自己专业各个学科的知识的综合运用，锻炼了自己的动手能力和分析能力。简单的了解了如何设计电路并用软件进行绘制。在查找文献的时候，也了解了许多