核磁共振扫描仪寿命...doc

密级： 保密期限： 硕士研究生学位论文 题目：核磁共振扫描仪寿命检测系统的设计和实现学 号： 076664 姓 名： 寇羽欣 专 业：检测技术与自动化装置导 师： 周慧玲 学 院： 自动化 2010年 1 月 10 日独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 核磁共振扫描仪寿命检测系统的设计和实现摘 要本课题以某医疗集团的核磁共振扫描仪床体为研究对象，设计并实现了核磁共振扫描仪床体运动控制与寿命检测系统。论文根据系统的设计要求，详细阐述了如何设计软硬件以实现寿命检测系统的具体功能。本寿命检测系统以核磁共振扫描仪的床体为控制对象，多模式控制床体运动并检测床体寿命。系统选用直流伺服电机驱动床体纵向运动，而选用直流步进电机驱动床体横向运动，结合光电编码盘等硬件设备，精确控制床体的纵向横向运动，并可实时反馈床体的精确位移。而在床体控制方式的设置上，设置了现场手动控制和主机远程控制两种方式。系统的功能主要由控制功能模块部分、显示功能模块部分以及通信功能模块三部分实现。在控制功能部分，主控制单元选用AVR与CPLD相结合的方式构成，而在运动控制单元，则分别选用PWM方式闭环控制直流伺服电机，以及驱动器开环控制直流步进电机。在显示功能部分，选用专用数码管/键盘驱动芯片，实现人机对话功能。在硬件设计时，将系统硬件按功能分布于不同的电路板上，旨在降低系统内部的干扰，提高系统的稳定性。系统的硬件电路板主要包括主控制部分、电机控制部分、速度位移显示部分、串行通信部分以及按键部分。主控制部分包括：结合AVR和CPLD为核心的主控元件，以及电平转换电路等外围辅助电路。电机控制部分包括直流伺服电机驱动电路以及直流步进电机驱动电路以及相关外围辅助电路。速度位移显示部分以及按键按键部分是系统中的人机对话部分，操作人员通过对操作面板上的按键和开关的操作实现系统的控制和检测功能。本系统的软件设计包括：单片机程序设计和CPLD程序设计两个部分。AVR单片机采用ICC语言，为增加程序的可读性和可移植性，采用模块化设计。主要的程序模块包括：主程序模块、按键扫描模块、显示模块、PWM波运动控制模块、纵向运动测试模块、横向运动测试模块、寿命测试模块等。采用Quartus平台开发CPLD，采用原理图输入的方式，实现显示信号编码、步进电机驱动脉冲计数、横向位置计算等功能。核磁共振扫描仪寿命检测系统能满足对运动控制与检测功能的需求，并可提高小批量生产效率，降低实验成本。同时，本文在最后对性能改善等有较为详细的阐述，对系统提出改进方案。关键词AVR，CPLD，直流步进电机，直流伺服电机DESIGN AND IMPLEMENTATION OF LIFE DETECTING SYSTERM FOR NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SCANNERABSTRACTThis project aims to design and implement a systerm to dectect the life of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) scanner, also design and implement systerm for motion control and life detection. According to the requirment, this thesis provides description about how to design hardware and software to achieve specific function in detail.Object of the systerm is the bed of MRI scanner, the systerm can control and dectect life in several modes. And choose DC servo motor to drive bed move vertically, while DC stpper motor to drive it horizontally. With optical encoder disk and other hardware devices, systerm can give feedback of beds real-time displacement. The table control has two control modes, including local hand control and host long-distance control. Systerm function is realized by three parts: control function part, display function part and communication function part. In control function part, main control component is combined with AVR and CPLD, while in driven control part, select PWM way to control DC servo motor with closed-loop, open-loop to control DC stepper motor. In display function part, select LED/Keyboard driven-chip to realize communication between human and machine.To lower the interference between different voltage levels in the system and increase the stability, the hardwares are displaced on different boards. The system hardware includes control board, display board, communication board and button board. Control board includes main control board and motor driver board. Main control board includes core component combined by AVR and CPLD, voltage conversion circuit etc. and the periphery circuit. Motor driver board includes DC servo motor driver circuit, DC step motor driver circuit and over-current protection circuit. The display and button board is the man-machine conversation part. The operator uses the buttons and switches to realize the system control and detecting function.The software design of the system including two parts: the MCU part and the CPLD part. The AVR MCU part is designed in ICC language. And to enhance the readability and facility of transplant, choose modularize design.The main modules include: the main program, buttons scanning, dynamic display, PWM control, vertical motion detecting, horizonal motion detecting and life test module. Choose Quartus to design CPLD. The CPLD firmware includes the display signal coding, DC step motor driver pulse counting, and table transverse position calculation.The life detecting systerm for nuclear magnet resonance scanner can meet requirments in movement control and detecting, and it can shorten the production period, cut down cost. And this thesis will provide proposal for further development of system in detail. KEY WORDS AVR, CPLD, DC servo motor, DC step motor 目录第一章 绪论 11.1 课题背景11.2 课题主要研究内容2第二章 系统综述 42.1 控制功能模块52.1.1 主控制部分 52.1.2 运动控制部分102.2 显示功能模块 132.2.1 数码管142.2.2 键盘输入142.2.3 LED/键盘驱动芯片 162.3 通信功能模块 172.3.1 限位传感器 182.3.2 位置检测182.3.3 串行通信18第三章 系统的硬件设计203.1 主控制部分的硬件设计 203.1.1 电源电压转换电路213.1.2 数字滤波电路223.2 电机控制部分的硬件设计 233.2.1 直流步进电机驱动器233.2.2 直流伺服电机驱动系统253.3 速度位移显示部分的硬件设计 303.3.1 纵向位置显示/计数器显示部分 303.3.2 横向位置显示部分303.3.3 传感器指示灯313.4 串行通信部分的硬件设计 313.5 按键部分的硬件设计 313.5.1 报警电路 323.6 硬件部分的可靠性设计 33第四章 系统的软件设计364.1 系统软件设计概述 364.1.1 AT90S8535开发平台364.1.2 CPLD开发平台364.2 AVR单片机程序设计 374.2.1 AT90S8535单片机主程序设计374.2.2 运动控制按键扫描程序394.2.3 直流伺服电机控制程序394.2.4 运动控制模块 424.2.5 寿命测试模块 424.2.6 横向位置校准模块434.2.7 打印测试报告模块444. 3 CPLD软件程序设计 454.3.1 步进电机驱动脉冲计数功能464.3.2 伺服电机驱动程序474.4 软件可靠性设计 48第五章 系统的集成与测试525.1 系统的测试 525.1.1 系统的测试软件调试525.1 系统的测试结论 54第一章 绪论1.1 课题背景核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI），又称磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），又称自旋成像（Spin Imaging），是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像1。人体2/3的重量为水分，如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。MRI所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于MRI不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值2。磁共振成像技术提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。由于它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生CT检测中的伪影；不需注射造影剂；无电离辐射，对机体没有不良影响，因而得以广泛应用，而随着包括磁体、梯度子系统、线圈和检查床在内的硬件设备的发展，该技术更得以快速发展，呈现日新月异的变化3。由于没有配套的运动控制与检测设备，设备生产商在小批量实验生产过程中需要将组装后的床体和磁体做大量、反复测试，以满足对核磁共振扫描仪的寿命及床体运动的特殊要求，这种组装床体以测试的方式不仅降低了生产效率，还增加了生产成本。针对这一情况，本文以核磁共振扫描仪的床体为控制对象，设计出一套独立检测床体寿命和控制床体运动的系统，替代脚踏板控制床体的上下运动，实现精确控制床体运动。同时本系统还可实现更多功能，如：与主机和显示设备通信以实时记录并显示床体运动速度和位移，并可打印测试报告等。旨在提高核磁共振扫描仪床体部分寿命检测的效率，降低生产成本，缩短生产周期，提高生产效率。而系统的主控电路采用了全数字控制方式和抗干扰设计，具有很高的抗干扰性能。1.2 课题主要研究内容课题主要研究和开发核磁共振扫描仪寿命检测系统，按照设计要求实现对床体运动的精准控制，并能够实时记录和显示床体的位移与速度，同时与主机通信，将实时记录信息打印成测试报告。根据上述设计要求和功能需求，本论文的主要研究内容包括以下几个方面：1本文详细分析了核磁共振扫描仪床体寿命检测系统在运动控制、显示功能、通信功能、寿命测试等几个方面需要满足的要求，并根据系统设计要求完成系统的功能设计。2简要介绍该寿命检测系统的硬件构成。核磁共振扫描仪寿命检测系统主要由主控制部分、电机控制部分、速度位移显示部分、串行通信部分以及按键部分五部分构成，对按键部分的设计进行了简要的论述。3系统采用AVR系列单片机与MAX系列CPLD相结合的核心控制器，采用PWM方式控制直流伺服电机。对直流步进电机采用驱动器开环控制方式。根据步进电机的特性和功率要求，选择相匹配的步进电机驱动器。闭环PID调节器的应用，旨在提高控制系统良好的动态和静态性能。选择了AT90S8535单片机和EPM7128SLC84-15型CPLD作为系统的核心控制器件。由此完成系统控制方案与控制算法的设计。4系统的硬件电路板主要包括主控制部分、电机控制部分、速度位移显示部分、串行通信部分以及按键部分。主控制板以单片机和CPLD为主控元件控制核心，主要电路有位置信号滤波电路，电平转换电路，串口通信电路，电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。电机驱动板是系统直接连接两台被控电机的执行部分，主要包括直流伺服电机驱动电路、步进电机驱动电路和过流保护电路。显示按键板是系统中的人机对话部分，操作人员通过对操作面板上的按键和开关的操作实现系统的控制和检测功能。本文详细阐述了系统的硬件电路设计。5本设计将控制部分与功率部分放置在不同电路板上，旨在降低系统内不同等级电压间的相互干扰。为提高系统的抗干扰性，将位置检测信号经过数字滤波电路再传输到控制电路板。本文简要讨论了系统的硬件可靠性设计。6系统的软件设计包括两个部分：单片机程序设计和CPLD程序设计。AVR单片机采用ICC语言，为增加程序的可读性和可移植性，AVR单片机采用模块化设计。主要的程序模块有：主程序、按键扫描模块、动态显示输出模块、PWM波控制模块、纵向运动测试模块、横向运动测试模块、寿命测试模块等。CPLD采用Quartus平台开发，采用原理图输入与VHDL语言编程相结合的方式，实现显示信号编码、步进电机驱动脉冲计数、横向位置计算等功能。本文根据控制方案绘制软件流程图，编写程序，并进行了编译调试。7在软件的可靠性设计方面，系统软件采取了的措施，包括按键互锁、采用结构化程序设计方法、软件陷阱和“看门狗”、合理安排中断等。同时避免中断嵌套和在中断中执行复杂的任务。本文讨论了软件的可靠性设计。8系统分别在生产场地和屏蔽间环境中，进行调试与实验，以此验证核磁共振扫描仪寿命检测系统的综合性能，同时提出了部分改进方案。第二章 系统综述 核磁共振扫描仪寿命检测系统以床体为控制对象，使用在床体上用以代替脚踏板控制床体横向或纵向运动。根据需求，核磁共振扫描仪寿命检测系统需要满足的功能如下：精确控制床体纵向及横向运动多模式检测床体寿命记录和显示床体的实时位移和速度与主机通信打印检测报告在紧急情况下，能紧急制动根据上述系统功能，可以将核磁共振扫描仪寿命检测系统划分为以下三个子功能模块：控制功能模块、显示功能模块以及通信功能模块。在详细介绍各个子功能模块前，首先简要介绍一下医用核磁共振扫描仪的构成。医用核磁共振扫描仪主要由磁体子系统、梯度子系统、射频子系统、床体子系统、主机和附件等部分组成。磁体子系统是核磁共振扫描仪系统的关键设备。它的性能直接关系到系统的信噪比，因而在一定程度上决定着图像的质量。磁体子系统有永磁型、常导型、混合型和超导型四种。超导磁体的出现，既满足了NMRI对高场强的需要，又使磁场在均匀性和稳定性等方面的性能得以改善。梯度子系统是指与梯度磁场有关的一切电路单元。它的功能是为系统提供线性度满足要求的、可快速开关的梯度场，以便动态地修改主磁场，实现成像体素的空间定位。此外，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度场的翻转还起着射频激发后自旋系统的相位重聚作用。射频子系统是MRI设备中实施射频激励并接收和处理RF信号的功能单元。射频子系统不仅要根据扫描序列的要求发射各种翻转角的射频波，还要接收成像区域内氢质子的共振信号。一般来说，共振信号只有微伏（V）的数量级，因而射频接收系统的灵敏度和放大倍数都要非常高。在MRI系统中，计算机（包括微处理器）的应用非常广泛。各种规模的计算机、单片机、微处理器，构成了NMRI系统的控制网络。正是在这些计算机的控制下，整个系统的工作变得有条不紊、精确无误。床体子系统是MRI系统中承载被检测对象和射频线圈的单元。它的功能是通过对床体驱动电机的控制，实现精确控制床体运动，保证被检测对象准确进入最佳检测位置，并与主机和显示设备通信。由于被检测对象一般为病人，床体要有很好的舒适性和安全性。床体同时具有现场手动控制和主机远程控制两种控制方式4。（p12）2.1 控制功能模块控制功能模块是核磁共振扫描仪寿命检测系统的重点，是整个系统的核心部分。该功能模块主要包括由AVR与CPLD相结合构成的主控制部分，以及采用开/闭环分别控制步进电机和伺服电机来驱动床体横向运动或纵向运动的运动控制部分。2.1.1 主控制部分AVR与CPLD相结合构成的核心控制器件，连同电平转换电路、滤波电路等相关外围电路共同构成主控制部分，主控制部分是整个系统的核心，是实现系统各功能的关键部分。以下将分别简要介绍AVR与CPLD及其选型。2.1.1.1 AVR单片机单片机（又称微处理器）是在一片硅片上集成了中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序处理器（ROM或者FLASH）、定时器/计数器以及多种I/O接口的单芯片微型计算机。AVR单片机是由Atmel公司推出的，基于RISC指令架构的高性能、低功耗的8位单片机。高密度、非易失性存储器技术的运用，使得AVR单片机具有ISP（In System Prpgramming,系统内编程）的功能，即使在程序运行时，也可以对系统进行重新编程。AVR单片机支持汇编语言、C和Basic等多种语言编程，而采用高级语言编程使得系统的开发和程序的移植能有效地进行。纯单片机为控制核心的系统设计有下列优势5：（1）时序控制能力强单片机有专门的时钟电路产生时钟信号，其定时单位有拍节与状态、机器周期、指令周期，根据指令和所需的机器周期数的不同分为单字节指令单机器周期和单字节指令双机器周期、双字节指令单机器周期和双字节指令双机器周期以及三字节指令双机器周期。单片机执行指令是在时序电路的控制下严格按时序进行工作，它从外围设备接收和发送数据及控制信号都是按程序指令顺次进行控制，不存在并行机制，有力保证了整个应用系统的有序工作。（2）设计简单快捷单片机实际上是一个微型计算机系统，其内部逻辑结构包含CPU、RAM、ROM、定时器、计数器、并行I/O口、串行口、总线、中断控制系统和系统时钟电路等资源，这些功能模块已作为内核嵌入。对设计者而言，只需要了解其操作方式和指令系统，便可以在软件中方便地实现许多模块级功能。（3）性价比高单片机以体积小、控制功能全、价格低等特点赢得了广泛的应用和好评。现在，单片机已广泛应用于生活和生产的各个方面，如工业自动化、军事装备、通信产品、家用电器、消费电子等，长期稳定的发展和广泛的应用研究使其性价比非常高，并且积累了大量的技术参考资料。而纯单片机控制方式的缺点主要表现为：（1）端口数目有限普通单片机的引脚数目为4060左右，主要包括电源、时钟、复位、控制信号、I/O端口等。如果用这些端口直接产生各外围设备所需的数据和控制信号，其数目通常不能满足要求，这样就需要在外部添加译码和锁存电路来扩展I/O端口，由此整个系统将变得庞大和臃肿，设备的体积和重量也会增加。（2）系统硬件连线复杂，可靠性不够以纯单片机为控制核心的系统中，由于添加了许多分立元件来扩展控制端口，这必将导致硬件连线复杂，信号之间的干扰增大，可靠性降低，系统功耗也增大。（P41）2.1.1.2 AT90S8535及其特点AT90S8535单片机是AT90系列AVR单片机中内部接口丰富、功能齐全、性价比较高的产品。它具有如下特点6：1. AVR RISC结构AVR高性能、低功耗RISC结构118条指令构成的精简指令集，大多数为单指令周期32个8位通用寄存器工作在8MHz时具有8MIPS的性能2. 数据和非易失性程序存储器8KB的在线可编程FLASH存储器，可擦写1000次以上512B的SRAM512B在线可编程EEPROM，可擦写100000次程序加密位3. 外围器件特点两个可预分频的8位定时/计数器（T/C0、T/C2）其中T/C2具有输出比较和PWM功能一个可预分频16位定时/计数器（T/C1），T/C1具有输入捕获、输出比较和PWM功能片内模拟比较器可编程的看门狗定时器8通道10位ADC2通道10位和1通道8位PWM脉宽调制输出，可做D/A转换器SPI同步接口全双工UART4. MCU特点上电复位电路具有记数功能、有独立振荡器的实时时钟RTC低功耗空闲省电和掉电模式16种中断源，每种中断源具有一个独立的中断向量作为相应的中断入口地址5. 4MHz3V20条件下的功耗工作模式：6.4mA空闲模式：1.9mA掉电模式：1A6. I/O接口和封装32个可编程的I/O脚，每个脚都可以指定工作模式40脚PDIP/PLCC/TQFP封装7. 工作电压和时钟4.0V6.0V08MHz【4】2.1.1.3 CPLDCPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。CPLD是指集成规模大于1000门以上的可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，这里所谓的“门”是等效门（Equivalent Gate），每个门相当于4只晶体管。相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。一片CPLD就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。CPLD借助于硬件描述语言（VHDL或Verilog HDL）来对系统进行设计，硬件描述语言放弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。它采用三个层次的硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统5。CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点7。以纯CPL D为控制核心的系统的设计优势在于：（1）可靠性高CPLD采用了现代先进的编程工艺和合理的内部互连结构，可以保证较高的可靠性。另外，对于运用VHDL输入的设计，其实现方式独立于器件工艺，避免了具体的电路搭建可能造成的不可预知的信号干扰和布线不合理等问题，有利于提高系统性能。（2）设计效率高CPLD内部的基本结构是一些基本的宏单元或逻辑块，每个芯片中含有几十到上千个这样的基本单元，芯片的端口资源也相当丰富，用户可用引脚可从几十到二、三百，很容易完成以数字电路方式实现的各种逻辑控制功能。另外，CPLD具备真正并行执行，其中VHDL模型中包含并行执行的支持机制。如图2-1所示，如果输入集1和输入集2同时有效，则逻辑块1和逻辑块2同时被激活，逻辑块3会在逻辑块1或者逻辑块2的输出有效时被激活。当信号传播通过逻辑块3时，新变化的信号又可以通过逻辑块1和逻辑块2传播，即信号流可以同时在这三个块中流动。这种并行处理能力无疑大大提高系统工作效率。图2-1 步进电机原理图（3）集成度和保密性高CPLD设计的一个显著优势在于，它们像一张白纸，设计者可以定制系统功能，在芯片内实现几乎所有的数字逻辑。这种集成化设计摆脱了引进分立元件的限制，给系统的可靠性和保密性带来了较高的保障。而纯CPLD控制方式的缺点主要表现为：（1）本身不具备内部寄存器CPLD并不像单片机那样本身含有寄存器、计时器、中断等资源，虽然可以利用其内部逻辑单元来实现这些功能，但容易耗费大量的资源。（2）时序控制能力不如单片机强上面提到，CPLD具备真正的并行执行，这一方面成就了它的高效设计，但另一方面也给时序控制带来了很多问题。如图2-1，如果逻辑块1和逻辑块2中有相同的进程敏感信号表而函数关系不同，这样很容易导致逻辑块3接收信号紊乱。因此，设计者需要充分考虑并行执行过程中时序关系对信号的影响5。2.1.1.4 EPM7128SLC84-15及其特点系统选用Altera公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15。它有128个宏单元，8个逻辑阵列块。该芯片有64个引脚可以用做通用输入输出引脚，对外扩展能力强大。引脚与引脚之间的延时快达5ns，计数器频率高达175.4MHz。其引脚排列如图2-2所示：图2-2 EPM7128SLC84-15的引脚排列8VCCIO：占用引脚Pin13、Pin26、Pin38、Pin53、Pin66、Pin78。为CPLD的I/O引脚电源电平，为5V或者3.3V。VCCINT：占用引脚Pin3和Pin43，为CPLD的内部操作电源电平，为5V。GRN：占用引脚Pin7、Pin19、Pin32、Pin42、Pin47、Pin59、Pin72、Pin82，为芯片的电源的地线。INPUT/GCLK1：占用引脚Pin83，为CPLD的全局时钟。INPUT/GCLRn：占用引脚Pin1，为CPLD的全局清零。INPUT/OE1和INPUT/OE2：占用引脚Pin84和引脚Pin2，为CPLD的输出使能引脚。I/O：其余引脚均为通用的输入输出端口。这里需要指出的是TD1（Pin14）、TMS（Pin23）、TCK（Pin62）、TDO（Pin71），除了可以用作通用的I/O引脚外，还可以用于芯片的编程，在下载CPLD程序的时候使用。2.1.1.5 单片机与CPLD相结合根据上述单片机与CPLD的特点，以及以纯单片机或以纯CPLD为控制核心的系统设计优劣势，可以看成结合两者的必要性。单片机和CPLD有很强的互补性，而单片机和CPLD共同组成控制器则能够把二者的长处最大限度地发挥出来。在基于该体系结构的系统中，单片机担当控制的核心，而在CPLD中实现单片机I/O端口扩展，产生系统所需的各种数据和控制信号，从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分立元件，大大简化硬件连线，提高可靠性。另外，系统中的纯数字电路，如计数和一些基本逻辑功能都可以在CPLD中集成设计。结合二者的长处，基于“单片机十CPLD结构”的系统具备可靠性高、功耗低、保密性高、抗干扰能力强等优点。系统采用结合AT90S8535及EPM7128SLC84-15作为系统的核心控制部分，旨在发挥AVR与CPLD的长处，节省成本。2.1.2 运动控制部分系统需要控制床体在横向及纵向运动，具体说来，在运动控制方面系统需要满足的要求是：（1）控制床体纵向/横向运动，且纵向运动方面，设计并实现高速和低速两种状态；（2）设置床体横向运动的极限点，即：当床体的纵向位置相对于起点大于1200mm时，禁止床体横向运动；（3）床体横向运动时，系统能够准确、方便的将床体停留在中心位置；（4）床体纵向运动和横向运动的位移精度不低于1mm（位置精度是指系统显示位置与实际位置之差）；（5）当出现紧急或意外情况时，系统能够紧急制动；（6）床体运动应体现舒适性和安全性；根据以上要求，这套核磁共振扫描仪寿命检测系统选用直流伺服电机和直流步进电机实现运动控制功能。同时，对于寿命检测系统在运动方面的控制和测试功能还需要满足下列需求：（1）能够使床体自动运行规定的测试动作（规定动作：单独纵向模式测试；单独横向模式测试；纵向和横向间隔一次模式测试；复杂运动测试）；（2）必须保证测试系统的可靠性和寿命要绝对高于床体的使用寿命；（3）保证寿命测试计数准确，而且在系统断电时保证数据安全；系统的运动控制部分则由这直流伺服电机运动控制部分以及直流步进电机运动控制部分两部分组成。以下将分别介绍这两种电机以及相应的控制技术。2.1.2.1 步进电机及步进电机驱动器步进电机又称脉冲电动机，是数字控制的一种执行元件，它将电脉冲转化为角位移。区别于其他控制电机的最大特点是，通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机驱动器是其控制系统中的一部分。而步进电机与其驱动器是一个整体的不可分割的两部分，统称为“步进电动机单元”开放式运动控制己成为步进电机运动控制的发展方向，步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点9。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由其组成的开环系统简单、廉价、可靠。因此，被广泛的运用于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工业机器人、无损检测等系统及装置中。单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管驱动步进电机的两组相位，电机结构如图2-3所示10 ：图2-3单极性步进电机驱动电路双极性步进电机的驱动电路如图2-4所示，使用八颗晶体管来驱动两组相位。图2-4：双极性步进电机驱动电路2.1.2.2 伺服电机及伺服系统伺服电动机又称执行电动机，是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成电动机转轴的角位移或角速度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比较，从而调整转子转动的角度，伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）11。伺服系统(Servo System)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等12。伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。现代伺服控制技术的主要特征为：（1）全控型电力电子器件组成的脉冲宽度调制技术在伺服系统中广泛应用。（2）各种伺服控制元件与线路向着集成化、功能化、模块化、智能化、便于计算机控制的方向发展。（3）伺服系统的可靠性设计及自诊断技术伴随着系统功能、性能复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视。伺服系统的组成包括调节器、检测装置、放大装置和执行部件，为使各部件之间有效地组配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置，以及相应的能源设备、保护装置、控制设备和其它辅助设备。根据上述特点，电机驱动器需要完成串行数据通信、信号采集、功率驱动等处理任务。电机驱动器系统的结构如图2-5所示。图2-5 电机驱动器系统结构13系统不必选用专门的A/D芯片，选用AT90S8535单片机内置的8通道10位A/D转换器。并采用电机控制常用的光电编码器来实现对转速的编码，以此实现对速度等信号的采样。光电式旋转编码器是一种广泛使用的数字传感器，它将测到的角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。光电编码器包括绝对式光电编码器和增量式光电编码器两种。核磁共振扫描仪寿命检测系统采用增量式光电编码器来采样转速信号。由于单片机本身不具备PWM方式的驱动能力，因此系统使用场效应管搭建H桥驱动电路，即双极性可逆驱动方式来实现对电机转向的控制。H桥驱动电路的原理如图2-6所示。图2-6 H桥双极性可逆PWM驱动电路当Q1、Q4导通，而Q2和Q3截止时，电流从左到右通过电机，此时电机正转，如图中实线所示。当Q2、Q3导通，Q1、Q4截止时，电流从右到左通过电机，此时电机反转，如图中虚线所示。当Q2、Q4导通，Q1、Q3截止时，电机制动。由于电机运转时会有反相电动势，当停止对电机供电时，反相电动势并不会立即消失，如果此时将电机的两端短接，电机就会迅速停止。图示的四个快恢复二极管，其作用是保护场效应管，防止因电机在突然反相瞬间产生的峰值很高的反相电压而造成管子反相击穿，分别位于四个场效应管的旁边14。2.2 显示功能模块显示功能模块是实现系统人机对话功能的模块，该功能模块可让检测者直观准确地得知床体的精确位置与实时速度，同时，也可以直接得到床体按照预定模式已经运动的次数。根据需求，系统需要在显示方面满足下列要求：（1）能够以毫米为单位显示床体当前的纵向位置；（2）能够以毫米为单位显示床体当前的横向位置，并且以横向中心位置为零点，区分左右；（3）能够显示并记录床体当前寿命测试的计数；显示功能模块由数码管、输入键盘以及驱动芯片构成，下文将分别介绍这三部分的构成。2.2.1 数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态显示驱动和动态显示驱动两类15。（1） 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动,是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多。（2） 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制。根据上述驱动方式的特点，考虑到节约I/O口，本系统选用动态显示驱动的方式。2.2.2 键盘输入检测者通过键盘输入给出检测指令，因而键盘输入是系统实现人机对话功能的重要部分。在单片机系统中，常用的键盘有以下三种类型：独立式键盘、矩阵扫描式键盘、以及PS/2接口键盘。以下将简要介绍这三种类型的键盘及其各自的原理16。1. 独立式按键图2-7为独立式按键的结构，如图所示按键一脚通过电阻接电源端或者地，而另一脚接单片机的I/O口。独立式按键的原理是：按键的通断给出刚好相反的电平，通过判断电平高低即可判断按键的状态。因而通过检测I/O口的电平状态就可以判断哪个按键被按下了。图2-7 独立式键盘的结构原理图独立式键盘的优点在于：按键电路配置灵活，同时按键状态识别简单，但是缺点是：每一个