張禮群

廈門市口腔醫(yī)院 設(shè)備科，福建 廈門 361003

基于FPGA芯片的根管擴大儀的數(shù)字頻率計設(shè)計

張禮群

廈門市口腔醫(yī)院 設(shè)備科，福建 廈門 361003

采用FPGA芯片開發(fā)根管擴大儀控制電路的數(shù)字頻率計，使所開發(fā)的電路具有體積小，工作穩(wěn)定可靠，故障率低等優(yōu)點，具有推廣應(yīng)用的價值。

根管擴大儀；FPGA芯片；數(shù)字頻率計；牙齒治療

根管擴大儀是用于口腔根管治療手術(shù)中根管擴大成型的一種電子設(shè)備。該設(shè)備主要由控制器、根管治療手機和腳踏開關(guān)3部分組成。

1 根管擴大儀控制電路的組成框圖

根管治療儀的工作原理是：通過變速齒輪盤將高轉(zhuǎn)速的馬達變成根管預(yù)備手術(shù)所需的低轉(zhuǎn)速，大扭矩狀態(tài)，并通過反饋控制電路對轉(zhuǎn)速和扭矩進行自動跟蹤控制，以防止斷針現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

早期的根管治療儀控制電路主要由單片機組成，主要控制根管治療手機上電動馬達的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。根管治療手機馬達的轉(zhuǎn)速一般為1200～1600r/min，要求速度可調(diào)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片的推廣應(yīng)用，用FPGA芯片開發(fā)的根管擴大儀控制電路具有體積小，性能穩(wěn)定，功能更多的特點[2]。

圖1 根管擴大儀控制電路組成

根據(jù)根管擴大儀的工作原理可得根管擴大儀控制電路的組成框圖，如圖1所示。

目前根管擴大儀內(nèi)部的馬達均采用無碳刷電動馬達，無碳刷電動馬達的組成由轉(zhuǎn)子、定子和控制電路3部分組成。

無碳刷電動馬達的工作原理是：無碳刷電動馬達的轉(zhuǎn)子由磁鋼組成，定子是繞組，控制電路的作用是采集電機轉(zhuǎn)速的變化情況，并將采集到的信號送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置中，接收轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置輸出的信號，自動對不同的繞組供電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動馬達以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)[3]。

根據(jù)電動馬達的工作原理可知電動馬達控制電路主要的作用是：采集電動馬達轉(zhuǎn)速變化的情況，然后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。利用數(shù)字頻率計可以很方便地采集到馬達轉(zhuǎn)速變化的情況[4]。

2 用FPGA開發(fā)電動馬達控制電路的數(shù)字頻率計

根據(jù)兩位十進制數(shù)字頻率計的邏輯功能可知，兩位十進制數(shù)字頻率計應(yīng)由帶鎖存功能的十進制計數(shù)器電路、測頻時序控制電路，顯示譯碼器和頻率計頂層電路等4部分組成。兩位十進制數(shù)字頻率計的層次化結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[5]。

圖2 測頻控制電路組成

利用FPGA技術(shù)進行兩位十進制數(shù)字頻率計設(shè)計的步驟是：先分別設(shè)計底層的計數(shù)器電路模塊，測頻時序控制電路模塊和顯示譯碼器電路模塊，再在頻率計頂層電路中調(diào)入事先設(shè)計好的3個底層電路模塊。

數(shù)字頻率計的核心元件之一是含時鐘使能和進位擴展輸出的十進制計數(shù)器，用Verilog HDL語言編寫兩個十進制計數(shù)器的程序為[6]：

該程序通過編譯后波形仿真的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 計數(shù)器時序仿真

波形仿真的結(jié)果不僅顯示出十進制計數(shù)器的功能，還顯示出所設(shè)計的電路模塊當(dāng)輸入信號R為低電平時，電路復(fù)位。當(dāng)R為高電平，且EP和ET也為高電平時，電路為十進制計數(shù)器；當(dāng)R為高電平，且EP和ET為低電平時，電路是鎖存器，保存計數(shù)的數(shù)據(jù)不變。

通過波形仿真以后，將當(dāng)前文件變成一個包裝好的單一元件，并放置在工程路徑指定的文件夾中備用[6]。

用相同的辦法也可以設(shè)計測頻控制電路和顯示譯碼器，并將設(shè)計好的電路包裝入庫。

3 頻率計頂層電路的設(shè)計

頻率計頂層電路是用來連接底層電路的，在底層電路模塊已經(jīng)包裝入庫的前提下，用原理圖編輯功能設(shè)計好的電路如圖4所示[7]。

圖4 測頻控制電路組成

該電路通過編譯以后，波形仿真的結(jié)果如圖5所示。

圖5 測頻控制電路時序仿真

波形仿真的結(jié)果清晰地顯示出，頻率計電路在復(fù)位信號R的驅(qū)動下開始測頻的工作。測頻電路輸入的clk信號周期是10ns，待測信號的周期是23ns， 1 μ s的測量時間內(nèi)脈沖數(shù)應(yīng)為44，頻率計輸出的信號a2b2c2d2e2f2g2和a1b1c1d1e1f1g1相等，都是0110011，該信號輸入七段數(shù)碼管，將顯示數(shù)字44，所測信號的頻率為44MHz，說明所設(shè)計的電路時序正確[8]。

4 根管擴大儀控制電路的總體設(shè)計和結(jié)論

根據(jù)圖1的組成框圖，可分別用上面介紹的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，轉(zhuǎn)向控制裝置和保護信號設(shè)置電路，并將設(shè)計好的電路包裝成一個元件后，利用頂層的控制面板電路將根管治療儀的控制電路集成起來，并將設(shè)計好的電路下載到FPGA芯片上，接到機器的外圍電路上，機器工作正常，說明電路設(shè)計正確[9]。

因為采用FPGA芯片完成總體電路的集成，使得控制電路較原來的電路具有體積小，工作穩(wěn)定可靠，故障率低等優(yōu)點，具有推廣應(yīng)用的價值[10-12]。

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Design of the Digital Frequency-meter in the Pulp Canal Expander Based on FPGA

ZHANG Li-qun
Equipment Department, Xiamen Stomatological Hospital, Xiamen Fujian 361003, China

TH787+.1；R781.05

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.008

1674-1633(2011)04-0026-02

2010-12-24

2011-01-28

作者郵箱：xmzlq@163.com

Abstract:This paper introduces how to design the digital frequency-meter in the pulp canal expander based on FPGA. The digital frequency-meter has advantages of small volume, good reliability and low failure ratio,and is worthy to be popularized.

Key words:pulp canal expander; FPGA chip; digital frequency-meter; dental therapy