基于C8051F350冷陰極熒光觀片儀調(diào)光系統(tǒng)設計

基于C8051F350冷陰極熒光觀片儀調(diào)光系統(tǒng)設計

　0 引 言

　　隨著電子計算機等科學技術的發(fā)展，醫(yī)療設備的現(xiàn)代化、智能化研究越來越受到人們的關注，大量的科學家及工程技術人員都積極地投入到這一場醫(yī)療設備的革命中，其中，對各種類型射線底片觀片設備的研究也是醫(yī)療設備開發(fā)的重點。由于傳統(tǒng)的觀片設備亮度低、均勻性差、容易引起視疲勞等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化醫(yī)學診斷的要求。利用CCFL開發(fā)的觀片儀具有結(jié)構(gòu)簡單、燈管表面溫升小、燈管表面亮度高、使用壽命長、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點。

　　本文介紹一種以C8051F350單片機作為主控芯片的全自動CCFL觀片儀亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當環(huán)境光強發(fā)生變化后，該系統(tǒng)能夠使觀片儀的背景照明光強與環(huán)境光強比值保持最佳，觀測者看到的射線底片內(nèi)容最為清晰而且不容易產(chǎn)生視覺疲勞。觀片儀亮度與環(huán)境光強的比值最初可由觀測者根據(jù)自己的具體情況設定。該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)觀片儀的自動開關，插入射線底片后自動點亮觀片儀，當系統(tǒng)閑置時，觀片儀會自動關閉進入省電模式，延長了冷陰極燈管的使用壽命。

　　1 CCFL觀片儀調(diào)光原理

　　基于CCFL的觀片儀是一種由冷陰極高頻光源通過液晶背光技術(LCD)產(chǎn)生大面積的高亮度、均勻性好、噪聲低的環(huán)保節(jié)能設備。采用CCFL背光照明技術，將線光源轉(zhuǎn)變?yōu)榱炼染鶆虻拿婀庠?。CCFL發(fā)光強度由DC／AC逆變器控制，通過改變逆變器控制電壓從而改變CCFL的發(fā)光強度。為實現(xiàn)環(huán)境光強變化后觀片儀能夠自動調(diào)節(jié)到最佳觀測亮度，利用光電傳感器動態(tài)采集環(huán)境光強，由C8051F350對信號進行A／D化，根據(jù)一定的算法處理后輸出CCFL控制的電壓，達到自動調(diào)光的目的。

　　2 硬件設計

　　觀片儀控制系統(tǒng)主要由自動開關、調(diào)光控制、通信接口三部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用C8051F350為主控芯片，紅外對射管實現(xiàn)觀片儀的自動開關。單片機通過實時采集環(huán)境光強和背景照明光強，實現(xiàn)觀片儀亮度的動態(tài)調(diào)節(jié)。通信部分則采用RS 232接口方式，主要完成系統(tǒng)參數(shù)的設置以及固件程序的在系統(tǒng)升級(ISP)。

　　2．1 紅外對射管

　　觀片儀自動開關由紅外對射管傳感器實現(xiàn)。當紅外對射管之間插入射線底片后，紅外接收管則輸出信號，程序檢測到該信號從而打開CCFL；當系統(tǒng)閑置時，觀片儀則自動熄滅。

　　紅外對射管選擇霍尼韋爾公司的SEP8505-002，其工作波長為935nm，材料為GaAs(砷化鎵)，發(fā)光功率為7．8mW／cm(流明)，光譜寬度為80 nm，正向壓降為1．5V，輸出電流為20 mA。與其配對的紅外接收管為SDP8405—002，功率為70 mW，工作方式為三極管射極跟隨輸出方式。光電接收管的輸出飽和電流為0．4 mA，CE極的飽和電壓為0．4V，紅外檢測電路見圖2。

　　2．2 光強信號采集與調(diào)理

　　光電傳感器在0～50 000 lux范圍的照度下產(chǎn)生O～412 mV的電壓，而單片機的A／D輸入電壓范圍為O～3．3V，因此系統(tǒng)采用LM324對信號進行放大調(diào)理，其放大電路見圖3。為實現(xiàn)將0～412 mV的電壓放大到O～3．3V的范圍，設計放大倍數(shù)為8，放大倍數(shù)由式(1)確定：

Av=1+R24／R23 (1)

　　確定R23選擇10 kΩ電阻，R24選擇80 kΩ電阻。LM324由四個獨立的運放組成，為了提高采集光強的準確度，分別用兩個光電傳感采集CCFL光強，兩個采集環(huán)境光強，對這四路分別放大后直接輸入到C8051F350的高精度AD轉(zhuǎn)換通道0～3進行A／D化處理。

　　2．3 主控部分

　　主控芯片采用了美國Silicon Laboratories公司的混合信號ISP FLAsH微控制器C8051F350，其內(nèi)部有一個全差分24位高精度Sigma-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC具有片內(nèi)校準功能，保證了觀片儀亮度的高精度動態(tài)調(diào)節(jié)。為實現(xiàn)其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用模擬和數(shù)字分開供電，減少了數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾。C8051F350主要控制觀片儀的自動開關、光信號的A／D轉(zhuǎn)換與處理、控制信號的輸出、RS 232串口通信。

　　2．4 控制信號放大

　　C8051F350內(nèi)部有兩個8位電流方式數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(IDAC)，本系統(tǒng)選用IDACO，能實現(xiàn)O～255范圍的微調(diào)，保證了系統(tǒng)的精度要求。IDAC0的最大輸出電流可以有四種設置：O．25 mA，O．5 mA，1 mA和2 mA。設置IDAC0的滿量程輸出為0．5 mA，通過2kΩ電阻將電流轉(zhuǎn)化為電壓，電壓最大可達1V，再經(jīng)過LM358將電壓放大到0～6V后輸出，從而實現(xiàn)CCFL的高精度調(diào)光設計，如圖4所示。

　3 實驗數(shù)據(jù)及處理

　　本系統(tǒng)采用2．6×380型號的CCFL和L88亮度計，測量CCFL在O～6 V之間不同控制電壓下的亮度，實驗結(jié)果如表1所示，表中亮度為多次測量的平均值。為實現(xiàn)精確連續(xù)流暢的調(diào)光，避免傳統(tǒng)查表方式存在的精確度差占用存儲空間多的缺點，這里采用公式法計算輸出控制電壓。根據(jù)表1，利用最小二乘法求解方程ATAC=ATy，由Matlab數(shù)學軟件擬合出CCFL控制電壓與亮度的關系的表達式為：

U=-10．995 8+3．586 1B-0．233 6B2+O．004 3B3 (2)

　　式中：U為控制電壓值，B為對應的亮度值。

　　4 軟件設計

　　軟件設計包括上位機軟件和下位機程序。上位機軟件主要實現(xiàn)下位機最佳對比度等必要參數(shù)的設置，采用Visual C++6．0編寫。下位機固化程序主要包括觀片儀自動開關模塊程序、CCFL發(fā)光電壓控制模塊程序、RS 232通信模塊。采用模塊化設計方式，所有模塊采用中斷驅(qū)動方式，提高了系統(tǒng)的效率。

　　下位機程序主要配合硬件實現(xiàn)動態(tài)調(diào)光控制。調(diào)光控制程序?qū)崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)CCFL光強，按照傳統(tǒng)的方式是將電壓與對應的亮度關系對照表下載到下位機中，調(diào)光時通過查表找出最接近的值。本系統(tǒng)調(diào)光根據(jù)控制電壓和亮度的函數(shù)關系通過計算獲得控制電壓，節(jié)省了下位機的存儲空間，同時提高了調(diào)光的速度并保證了CCFL發(fā)光強度變化的連續(xù)性。調(diào)光控制的具體實現(xiàn)由C8051F350自帶A／D對當前采集的背景照明光強和環(huán)境光強進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，背景照明和環(huán)境光強的比值與設定置值進行比較，如果大于設定值則說明環(huán)境光變暗，此時需要將CCFL調(diào)暗到一定亮度，如果小于設定值則說明環(huán)境光變強，則需要提高CCFL的發(fā)光強度。CCFL的控制電壓可由式(2)計算得出，C8051F350將控制信號輸出調(diào)節(jié)觀片儀背景照明光強。

　　5 結(jié) 語

　　由實驗可驗證控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)觀片儀的自動開關，同時能有效地保證當環(huán)境光強發(fā)生變化后觀片儀亮度自動調(diào)節(jié)，并使得背景照明光強與環(huán)境光強的比值達到最佳。