医疗智能照明系统控制技术研究

医疗智能照明系统控制技术研究

摘要：结合工程项目分析了用户的需求和现场条件，详细介绍了智能照明控制技术在医疗设备设计中的具体选择和实施。为了使照明系统获得适宜的照度，采用自动光圈进行调光。为了使摄像系统在工作台上能自动实现滚动运动及三维调整，使用了二维和三维２个工作台。根据智能控制系统的工作要求，选择了适宜的步进电机、运动控制卡、高灵敏度和高反应速度的传感器、视频信号采集卡，构建了各功能模块。测试系统用ＶＢ６．０开发，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ标准界面样式，完成了自动采集、分析、校准等功能。关键词：照明系统；智能控制；ＶＢ６．０；测试系统随着科技的发展和社会经济的进步，对机电一体化技术提出了许多新要求，特别是节能技术已成为研究工作者的主题。对于照明系统的节能技术，或利用节能技术来实现建筑节能等都是设计中重点考虑的内容。智能照明系统控制技术的研究具有一定的现实意义。采用智能化设计后，智能控制系统可根据实际需求对照明设备的开启时间和亮度级别进行设置，合理利用资源，避免浪费。１医疗智能控制技术应考虑的问题智能控制技术为节能提供了行之有效的技术手段。对于一个实际的控制项目，应该分３个方面来考虑节能：前期设计和施工的经济性；系统运行中的低能耗性；工程维修维护中的方便性和易操作性。机电一体化系统中的微机软件、硬件称之为智能组成要素，在这种控制系统中，根据计算机所执行的功能，可采用单片机、可编程控制器、微机来完成不同的处理功能。本文的医疗智能无影照明系统采用单片机控制。为了使照明系统获得适宜的照度，采用自动光圈进行调光，以控制光通量的多少。程序用ＶＢ６．０开发，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ标准界面样式，根据测试内容的不同，给出相应的测试环境和输入量。２医疗智能照明系统２．１医疗智能照明系统基本的机械结构图１为医疗智能照明系统的示意图，其中自动调光系统安装在二维调整工作台上的定位座内，并用圆螺母固定，松开定位座上的锁紧手柄，自动调光系统可以沿轴心转动。电视摄像系统安装在三维调整平台上，通过三维调整平台的运动使电视摄像系统与自动调光系统的位置相匹配。自动光圈进行调光的工作原理如图２所示。景物的散射光经过光学镜头、可变光圈，成像于ＣＣＤ摄像机的感光芯片上，ＣＣＤ将光信号转换形成电信号后进行处理，输出全视频信号；该信号一方面可以显示，另一方面经放大、箝位，被送入积分放大器，积分后的结果与参考电平进行比较，用于确定光圈改变的方向和大小；当积分信号低于标准电平时，驱动电机旋转，带动光圈朝增大通光孔径的方向改变，否则向减小通光孔径的方向改变，达到调节像面照度的目的，以保证获得清晰的图像。２．２医疗智能照明系统工作过程三维调整平台由二维工作台与滚动工作台两部分组成。它的主要功能是把电视摄像系统固定在工作台的台面上，分别转动二维工作台上的２个调节手柄，使摄像系统能够上、下及左、右进行二自由度移动，移动范围均为±１５ｍｍ。通过调整滚动工作台上的调节手柄可以使摄像系统实现滚动运动，２个工作台配合可以实现摄像系统的三维调整。二维调整工作台（图１中的４）是由定位座、垫板、移动滑块、方位调节手柄、俯仰调节手柄、底板等组成，能够进行方位调节与俯仰调节。工作台的方位和俯仰调节角度都为１５°，承载５０ｋｇ。工作台上方与定位座连接。自动调光系统能够在定位座内转动，定位座上设有一个锁紧手柄，可以用锁紧手柄把调光系统锁紧，使调光系统完全紧固在二维工作台上。使用时，转动二维调整工作台的方位调节手柄，推动二维工作台台面与定位座移动，带动调光系统向需要的位置进行转动。当需要沿轴心转动时，松开定位座上的锁紧手柄，按所需的角度转动后锁紧定位座上的锁紧手柄，使光学系统固定。２．３系统工作要求（１）三维调整平台转动的范围：方位转动±３°，俯仰转动±３°，滚动±４°，上下移动±１５ｍｍ，左右移动±１５ｍｍ。

（２）光学系统的视场物镜、复眼透镜、聚光镜、反光镜安装后同轴度不大于０．１ｍｍ。

（３）国际测试图的定位精度不大于０．１ｍｍ。３智能控制系统主要硬件的选择３．１步进电机和驱动器的确定驱动电机选择５７系列百格拉三相混合式步进电机ＶＲＤＭ３６４／ＬＨＡ，该电机采用三相正弦驱动方式，力矩大、转速高、可达2000r/min，低速无振动。细分后角度分辨率为０．０３６°／步。电机通过丝杠带动楔型中性透光片在导轨上运行，电机旋转１圈丝杠直线行程为６ｍｍ，因此电机１步是０．０３６°，通过传动，楔型中性透光片向前移动距离为０．６μｍ，两方向相对运动为１．２μｍ，可见楔型中性透光片的定位分辨率是足够高的。当电机全速运行时，楔型中性透光片移动速度可达到２００ｍｍ／ｓ，楔型中性透光片的运动范围光学设计是０～１００ｍｍ的运动范围，那么以最快速度运行时全程需要的时间是０．５ｓ，可以满足最快调光时间的要求。三相步进驱动器为Ｄ９２１，该三相步进驱动器工作电压为直流１８～４０Ｖ，最大驱动电流为５．８Ａ。３．２运动控制卡的选择选择凌华ＰＣＩ－８１３２两轴步进伺服运动控制卡（基于ＰＣＩ总线的２轴运动控制卡）。该卡特点：３２位ＰＣＩ总线，脉冲最大频率２．４ＭＨｚ，可以同时完全独立地操纵２个步进电机，可以进行加速、减速编程；输入输出Ｉ／Ｏ接口都是光电隔离；编程容易，操作使用方便。控制卡的选择主要看是否满足需要的脉冲频率，步进电机最快速运动时（２０００ｒ／ｍｉｎ）需要３３３．３３ｋＨｚ的脉冲频率，此控制卡足以满足要求，同时它还具有多路数字信号的输入功能，可以用来接位置传感器的电平信号，控制楔型中性透光片的复位。３．３高灵敏、高反应速度的照度传感器选择选择照度传感器的型号是昆仑工控的ＺＤ０２－ＶＢ，量程为０．０１～１００００Ｌｘ，测量精度是±４％，０～１０Ｖ的电压输出，稳定度为１．５％，响应时间为１．５ｍｓ，能满足设计要求。ＺＤ型照度传感器采用对弱光也有较高灵敏度的硅光敏探测器作为传感器；该传感器具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点，适用于各种场所，尤其适用于农业大棚、城市照明等场所，采用光敏探测器，将光照强度转换为电流信号，再经过运算放大器转换为标准信号输出。３．４视频信号采集卡的确定硬件的设计需完成输入图像的比例缩放（ｓｃａｌｅ）、裁剪（ｃｌｉｐ）和色度空间变换（ｃｏｌｏｒｓｐａｃｅｃｏｎｖｅｒｔｉｏｎ）。大恒ＤＨ－ＣＧ４００图像采集卡具有标准的ＰＡＬ、ＮＴＳＣ彩色／黑白视频输入。输入方式：６路ＣＶＢＳ输入；３路Ｙ／Ｃ输入；六选一模拟视频输出。可连场、连帧、间隔几场或者几帧等多种方式采集图像；通过填写屏蔽（ｍａｓｋ）模板，可实时显示和存储任意形状的输入图像。所以选择该视频信号采集卡可以满足输入图像的大小、位置的灵活设置等。４医疗智能照明控制软件构建如图３所示，软件根据功能进行模块划分，包括主控程序模块、照度控制模块、模拟量采集与输出模块、图像采集存储模块和图像处理模块。主控程序通过模拟量采集与输出模块对直流光源进行微调控制，通过模拟量采集卡获得的照度值对照度进行调节。照度的控制是通过照度控制模块实现的，设置的目标照度通过照度拟合公式转化，计算得到需要的电机的行程，电机控制模块通过驱动器驱动电机到达目标位置，完成照度控制。图像采集存储模块负责采集电视摄像机生成的视频图像，实时进行存储。图像处理模块完成采集图像的部分处理工作，给出相应的分析数据与测试结果。５医疗智能照明系统测试的构建５．１界面设计软件设计的构建界面，采用ＶＢ６．０开发，使用Ｗｉｎｄｏｗｓ界面样式，根据测试对象的不同，确定相应的测试环境和输入量。为了满足光源的稳定性要求，对照度校准功能进行了设计。系统的设置要进行照度校准，校准功能设计成自动完成，校准达到精度要求后，自动存储校准结果，下次系统启动将重载这个结果，校准完成将有相应的提示。５．２测试说明５．２．１最高照度测试选择灰度图，然后设置照度变化的范围，选中“光强变化匹配采集”，这个按钮的功能是只在测试开始的时候才开始进行采集，测试结束则停止采集；采集的图像存储到一个指定的硬盘目录下，测试的时间可以设置成超出照度变化时间的范围，比如３ｓ，这样是为了能够得到更精确的结果；反复重复试验，可得出最高照度值。５．２．２调光时间测试在输入框内输入最小照度、最大照度和调光用时间后，选择执行变化的方式（有３种变化方式：最小到最大，最大到最小，连续变化）；执行测试前可以选择“光强变化匹配采集”按钮，这样每次测试都会采集存储图像。如果人眼进行判断就不需要采集图。５．２．３视频分辨率测试该测试只需要选择分辨率测试图，设置测试的照度条件，然后开始测试。选中“图像采集”会采集测试过程中的图像，并且记录采集的帧数。分辨率测试要进行人工分辨率判断。５．２．４电视灰度测试选择灰度图后，测试方法同上，测试一定要采集图像。测试结束后，软件可自动对采集到的图像进行分析。分析的步骤是：先打开图像并选中要分析的区域，之后软件对该区域中各像素点的灰度值进行计算，完成后给出该区域的灰度等级结果。６结束语本文所研究的医疗智能照明系统控制便捷，操作简单，系统自动功能强，利用单片机控制医疗智能控制系统，可根据实际需求对照明的开启时间和亮度级别进行设置，合理利用资源，并为节能提供了行之有效的技术手段。采用自动光圈进行调光，控制光通量的多少，使照明系统获得了适宜的照度。程序用ＶＢ６．０开发，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ标准界面样式，使控制手段和显示过程更加简捷。测试结束后，软件可自动对采集到的图像进行分析、计算，完成后给出该区域的灰度等级结果，简化了测试流程。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

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