无线内窥镜的驱动系统设计.doc

无线内窥镜的驱动系统设计刘加峰， 芦勤，陈安宇(首都医科大学生物医学工程学院 北京100069)摘 要： 本文介绍了医用电子内窥镜的结构原理以及驱动系统的设计与实现,并主要论述了驱动的方案及其功能,及以FPGA(现场可编程门阵列)为核心的驱动速度及运动方向控制.关键词： 无线内窥镜；电磁超微马达；现场可编程门阵列； A design of drive circuit for Wireless Endoscope CapsuleLiu jiafeng，Chen anyu, Lu qin(Capital University of Medical Sciences， Beijing ， 100069，China)： A scheme of a digital wireless endoscope capsule system and the structure and function in the capsule are presented. It describes mainly the method and function of drive,the control of speed and direction based on FPGA are also described in detail. ： ； electromagnetic micro-motor； ；1 引言随着科学技术的发展与人类社会的进步，微创外科手术日益成为国际上的一个研究热点。微创外科手术(Minimal Invasive Surgery ， MIS) 又称-内窥镜检查手术，它可以大大提高手术质量，减轻病人痛苦，缩短恢复时间，降低手术费用。医用内窥镜是用来检查消化道疾病的一种医疗器械。传统医用内窥镜使用光纤或电缆插入人体体腔内拍摄病征图像以供医生诊断。使得人类能以无痛、无创、无拘束、基本无不适感的方式获得整个小肠段的清晰图像，并显著提高了小肠病变的诊断率。目前，对微创外科手术的研究主要从两方面进行：一是改进传统的医用内窥镜系统，将系统进一步微型化，合理采用各种传感器，引入各种先进的成像技术和高速计算机图像处理技术，增加手术过程的可视性，可比性，重复性和准确性；二是改进医用内窥镜系统进入人体内腔的方式，目前的医用内窥镜系统，其进入人体内腔是靠柔性管引导，从外部人为直接插入。这种进入方式有二大缺点：一是人体内腔狭窄曲折，柔性管长距离插入有困难，有些死角位置很难到达；二是在插入过程中，柔性管和内腔壁之间直接接触摩擦，有可能对人体软组织造成擦伤和拉伤，引起病人的严重不适和痛苦。因此，国内外已有许多学者在研制能自动把医用内窥镜系统送入到人体内腔各个部位的微型驱动机构。2 系统设计无线内窥镜系统在使用时由病人像吃药一样口服进入人体消化道内部，由外部控制电路控制工作状态，如只需要检查小肠是否有病理情况，则可以在内窥镜经过食道和胃部时关闭部分或全部LED甚至图像传感器以节省电能。在内窥镜进入消化道后，由LED提供照明，图像传感器接收图像并送交发送电路处理，然后经天线发送被采集的图像。同时可以根据驱动结构控制胶囊的移动，获得所需的图像，方便使用。综合考虑小肠内部的独特结构，设计出如图1所示的无线内窥镜系统，该系统由以下几部分组成：滤镜，LED指示灯，CMOS图像传感器，电池，数模混合集成电路，驱动机构，天线。图1：无线内窥镜内部结构图与其它驱动机构不同，这种驱动机构在人体内腔中运行时不会与内腔壁发生直接接触，这样可避免对人体内腔有机组织造成擦伤和拉伤，减轻或消除患者的不适和痛苦。这种驱动结构由带右螺旋槽的圆柱形电磁型超微马达， 带左螺旋槽的圆柱体和柔性联轴器构成。当正向接通超微马达电源时， 带左螺旋槽的圆柱体正转， 带右螺旋槽的超微马达外壳反转，但两者产生的轴向摩擦牵引力方向相同，带动医用内窥镜系统前进；当反向接通微电机电源时，则使内窥镜系统后退2。 由于图1中的驱动机构全部由带螺旋槽的圆柱体构成，因此，当它旋转时，由于人体内腔中高粘度粘液所产生的动压效应作用，将建立一层动压润滑粘液膜，使驱动机构处于悬浮状态。这样当驱动机构驱动医用内窥镜系统进入人体内腔时，可避免与内腔壁发生直接接触，从而可避免对人体内部软组织造成擦伤和拉伤，减轻或消除患者的不适和痛苦。 电磁型超微马达在设计结构上采用的是轴向磁通的磁路设计。为了便于应用微细加工技术和增大马达输出力矩，定子绕组采用上下分布，以增大定转子的间隙面积，提高转换效率；转子采用高磁性能的多极永久磁钢，作用是在马达的间隙中产生足够大的磁通密度，以提高马达的驱动力矩。控制灵活多变是电磁型微马达的重要特征。本文根据微型驱动机构的工作原理和特点设计了一种全新的医用内窥镜系统的驱动方式，可以在不同的情况下采用不同的控制方法。需要微型机器人快速移动时，将微马达看作是同步马达控制；而需要微型机器人定位时，则采用步进电极的控制方法。定位精度取决于步进角的精度。控制电路如图2所示。图2：驱动控制电路框图微处理器产生输出信号经过脉冲分配器来控制微马达的转动。控制信号经过功率放大后送入微马达驱动机器人移动。微型机器人的控制中设计一个计数器来标识脉冲频率的大小，通过改变脉冲输出频率来控制主驱动微马达的转速，同时另一个计数器用来标识机器人转弯程度的大小，分别用符号来标识直线移动和转弯的方向。通过以上简单的“智能”控制策略，使微型机器人的控制具有较强的鲁棒性。3 步进电机的FPGA控制步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。由FPGA实现的步进电机控制系统如图1所示。图2中，控制系统的核心芯片是FPGA1，如虚线所示，它由两大功能模块组成:1)速度控制模块，核心是锁相环PLL宏模块电路1，它在不同速度控制信号作用下，可将经时钟分频器分频后的系统时钟改变为不同的PWM信号5，将此信号作为速度控制模块的变频时钟，可达到改变步进电机速度的目的；2)方向控制模块，核心是脉冲分配电路，在每一个变频时钟周期内，脉冲分配器可在不同的方向控制信号下产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机是顺时针转动还是逆时针转动。3.1 步进电机方向控制模块的实现及仿真方向控制模块的核心是脉冲分配电路，它有两个输入信号：一个是PWM信号构成的变频时钟，每输入一个PWM脉冲，脉冲分配器的四相输出时序将发生一次变化，从而使步进电机转动一步；另一个是方向控制信号，它的不同状态将使脉冲分配器产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机的转动方向。 根据四相八拍的控制方式34，定子通电顺序为（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A），因此本系统中采用了Mealy型状态机描述方法，状态取值依次是：S0=0001，S1=0011，S2=0010，S3=0110，S4=0100，S5=1100，S6=1000，S7=1001。DABAB。按控制时序的要求，用“1”表示该绕组加电，“0”表示该绕组断电。状态图如图3所示。图3：方向控制模块的状态流程图3.2 RTL仿真图4为方向控制模块的仿真波形，从图中可以看出，当信号D分别为高、低电平时，状态流程为相反方向，表示电动机转向相反。图4： 方向控制模块的仿真波形图4 结 语 本文介绍了一种数字式无线内窥镜的系统方案，设计并实现了一种基于 驱动系统。该微型驱动系统经过实验验证,其直线移动速度可在每秒钟010mm范围内调节,可平稳的前进、后退和灵活的转弯，转弯半径可忽略不计。使用FPGA方式驱动电磁超微电动机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速!往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制电机的运行状态，以满足不同用户的要求。这样既简化了电路，也降低了成本，使微型机器驱动很方便。今后，可编程逻辑器件在步进电机控制中将发挥其可靠性、灵活性等独特的优越性。参考文献： 1 The Handbook of the Altera Cyclone II family of devices. ver 2.3, Jan 20042 张琛，赵小林等，超微型电动机实用化的关键技术及应用前景J。上海交通大学学报，2000年第3期第34卷。3 王德安，常春玲，基于单片机的步进电机控制J。计算机应用， 2005第3期。4 丁伟雄,杨定安,宋晓光，步进电机的控制原理及其单片机控制实现。2005年第6期。5 朱立强.使用PWM得到精密的输出电压J.单片机