【作 者】楊成訓(xùn)，柏祖軍，張世武，金虎

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，合肥市，230027

0 引言

為了觀察患者病灶的相關(guān)情況，需要將高濃度的造影劑注射到患者體內(nèi)，再通過(guò)X光的分層掃描，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)重建解剖圖像。但由于人體的某些部位具有較為特殊的生理結(jié)構(gòu)，加之某些病灶具有一定的隱匿性，因而若想進(jìn)行有效的診斷,則需要對(duì)患者予以增強(qiáng)掃描，為獲得清晰、高質(zhì)量的掃描圖像，則需要使用高壓注射器為患者注射造影劑[1]。

與傳統(tǒng)注射器相比，高壓高速注射器對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。位于操作間的注射器的顯示端運(yùn)行基于安卓開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互程序，負(fù)責(zé)輸入用戶(hù)指令，注射狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及回放，以及故障自我診斷。顯示端通過(guò)屏蔽線(xiàn)纜與位于CT室內(nèi)的注射端相連。注射端以指令解析芯片和驅(qū)動(dòng)電路為核心，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照預(yù)設(shè)參數(shù)平穩(wěn)運(yùn)行。

1 功能分析

注射器的注射模式分為手動(dòng)模式、智能模式、自定義模式。每個(gè)模式最多由六個(gè)時(shí)相構(gòu)成。時(shí)相按照順序依次執(zhí)行。每個(gè)時(shí)相又可以分成A相定速、B相定速、A相變速、AB定比混合+定速四個(gè)子模式。其中A相為造影劑，B相為生理鹽水。用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏操作交互程序輸入每一相的注射模式及注射參數(shù)（注射速度、注射量、注射間隔等）。指令打包后通過(guò)屏蔽線(xiàn)纜發(fā)送到注射端主控板。主控板實(shí)時(shí)返回注射端當(dāng)前狀態(tài)（注射信息、故障信息、傳感器信息）。注射端負(fù)責(zé)解析并執(zhí)行指令，驅(qū)動(dòng)基于六步方波的無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。其中升級(jí)版使用基于FOC（Field Oriented Control，磁場(chǎng)定向控制）和SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調(diào)制）的控制驅(qū)動(dòng)模式，運(yùn)行更加平穩(wěn)，噪聲更小。同時(shí)非程序注射狀態(tài)下，可以通過(guò)機(jī)身按鍵直接控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)為了安全考慮，顯示端與注射端都留有暫停（急停）按鍵。注射器整體架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)空間分布分為顯示端與注射端兩個(gè)模塊。

圖1 注射器整體架構(gòu)Fig.1 System framework of the injector

2 硬件設(shè)計(jì)

顯示端顯示器采用分辨率為1 024×768的液晶觸摸屏。液晶屏通過(guò)LVDS接口與安卓主板相連。主板運(yùn)行定制安卓5.1系統(tǒng)，RAM為600 MB，ROM為8 GB。屏幕下方為按鍵板，上有五個(gè)實(shí)體按鍵。包括模式按鍵（模式切換）、程序按鍵（顯示設(shè)備信息）、記錄按鍵（查看歷史注射記錄）、電源按鍵（開(kāi)關(guān)機(jī)）以及暫停（急停）按鍵。其中電源按鍵信號(hào)由低成本單片機(jī)STM32C8T6采集，再經(jīng)由光耦控制繼電器，控制三路電源（5 V、12 V、24 V）的通斷，最后利用軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)按開(kāi)機(jī)及長(zhǎng)按關(guān)機(jī)。按鍵信號(hào)直接與安卓主板板載的I/O口相連。手柄雖然看似從顯示端引出，實(shí)際信號(hào)來(lái)自注射端。包括一個(gè)執(zhí)行按鍵，一個(gè)暫停按鍵和一個(gè)四位顯示注射時(shí)長(zhǎng)信息的共陽(yáng)極數(shù)碼管。安卓主板只有板載串口，而注射端兩個(gè)電機(jī)互相獨(dú)立，故采用串口轉(zhuǎn)CAN模塊，有利于簡(jiǎn)化控制。顯示端最終引出包含信號(hào)線(xiàn)（CAN、STOP、START）與電源線(xiàn)（12 V、24 V、GND）的屏蔽線(xiàn)纜，與注射端相連。

注射端主要由兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)身按鍵板、編碼器、壓力傳感器以及主控板組成。無(wú)刷電機(jī)型號(hào)為24 V供電，四極對(duì)，峰值扭矩為0.45 N·m，并配有減速比為15的減速器，通過(guò)皮帶傳動(dòng)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)推桿前進(jìn)后退。根據(jù)峰值扭矩估算，電機(jī)的最大母線(xiàn)電流約為11.7 A。機(jī)身按鍵包括前進(jìn)、后退、微動(dòng)、加速、自動(dòng)吸藥、確認(rèn)、開(kāi)始、暫停等按鍵。主要用來(lái)直接操作針筒吸藥或者排氣。增量式光柵編碼器一圈60線(xiàn)，固定在螺桿軸末端，用來(lái)確定當(dāng)前推桿位置。壓力傳感器嵌入在推桿最前端，量程為5～500 kg，校準(zhǔn)后誤差在5 psi（1 psi=6.89 kPa）內(nèi)。主控板為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)電機(jī)的控制。每側(cè)有微處理器STM32f103ret6掛在CAN總線(xiàn)上，負(fù)責(zé)解析注射指令和發(fā)送反饋信息。還有微處理器STM32f103c8t6對(duì)前級(jí)留有速度控制接口，對(duì)后級(jí)生成六路PWM信號(hào)，經(jīng)由三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器IR2101S控制六個(gè)NMOS開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此外，主控板上還有處理壓力傳感器的調(diào)理電路，霍爾信號(hào)上拉電路，限位開(kāi)關(guān)接口，電流/電壓采集電路等。其中基本版采集母線(xiàn)電流和母線(xiàn)電壓，用于過(guò)流和失壓保護(hù)，升級(jí)版因?yàn)槭褂肍OC+SVPWM的方案，需要額外對(duì)相電流和相電壓進(jìn)行采樣，因而有源器件（比如運(yùn)放）會(huì)明顯增多，成本會(huì)明顯上升。

限位開(kāi)關(guān)由光電門(mén)加固定在推桿上的擋片組成，除了用來(lái)限定推桿的極限位置，防止推桿撞擊機(jī)架外，還有剩余量校準(zhǔn)作用。預(yù)留的串口是方便調(diào)試。編碼器由60線(xiàn)的增量式光柵和光電門(mén)組成，其中光電門(mén)固定在機(jī)架上而光柵固定在螺桿尾端，隨推桿移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。配合FLASH的掉電數(shù)據(jù)保留特性即可確定當(dāng)前推桿的絕對(duì)位置。壓力傳感器輸出為一對(duì)差分信號(hào)，使用儀用運(yùn)放AD623放大20倍后接微處理器ADC引腳。板子上留有Jlink程序燒錄接口，通過(guò)跳線(xiàn)帽選擇燒寫(xiě)對(duì)象。無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器為開(kāi)集輸出，故需要配套上拉濾波電路，才能接入微處理器引腳。STM32f103ret6與STM32f103c8t6之間通過(guò)串口連接。柵極驅(qū)動(dòng)器選用IR2101S，帶有自舉功能，保證上橋臂的NMOS管能按照目標(biāo)持續(xù)導(dǎo)通。一個(gè)IR2101S驅(qū)動(dòng)器可以控制一對(duì)橋臂。開(kāi)關(guān)元件是型號(hào)為IRFR2407的NMOS管，最大漏源電流為42 A，漏源額定電壓為75 V，典型電平翻轉(zhuǎn)時(shí)間為150 ns。根據(jù)測(cè)算單個(gè)電機(jī)最大電流約為12 A，而PWM頻率為10 kHz，故皆滿(mǎn)足要求。注射端主控板主要接口和元件分布，如圖2所示。

圖2 注射端主控板主要接口與元件分布Fig.2 Distribution of main interface and elements on the main board

在升級(jí)版需要額外用于FOC的電壓/電流采集電路。相電流采集方案為下橋臂采樣，使用三個(gè)0.05 Ω、1 W的高精度采樣電阻串聯(lián)在UVW三相的下橋臂NMOS的源極與GND之間，之后再用LM321運(yùn)放對(duì)電阻兩端的電壓信號(hào)進(jìn)行偏置和放大。相電壓先由電阻分壓，再經(jīng)過(guò)二極管鉗位到3.3 V以?xún)?nèi)。母線(xiàn)電流采樣放大后，使用電壓比較器LMV311，通過(guò)與分壓電阻和電壓跟隨器產(chǎn)生的參考電平作比較，最終實(shí)現(xiàn)過(guò)流時(shí)輸出剎車(chē)信號(hào)。通過(guò)調(diào)整分壓電阻值，調(diào)節(jié)參考電平值。

3 軟件設(shè)計(jì)

注射器的狀態(tài)分為四種（空閑、準(zhǔn)備就緒、等待執(zhí)行、執(zhí)行中），顯示端需要根據(jù)對(duì)應(yīng)狀態(tài)位的變化調(diào)整界面元素的顯隱，后臺(tái)數(shù)據(jù)的處理。以典型注射過(guò)程為例，用戶(hù)先在界面上更改注射參數(shù)，然后注射端確認(rèn)按鍵被按下（代表注射端準(zhǔn)備就緒），隨后按下注射端或者顯示端的手柄上的執(zhí)行按鍵就可以開(kāi)始自動(dòng)注射了。空閑時(shí)候顯示端只發(fā)送心跳信號(hào)，準(zhǔn)備就緒狀態(tài)時(shí)發(fā)送注射指令，如果注射端校驗(yàn)通過(guò)則返回等待執(zhí)行狀態(tài)，否則返回空閑狀態(tài)；執(zhí)行開(kāi)始后，加載繪圖界面，將壓力曲線(xiàn)實(shí)時(shí)繪制到屏幕上，等待注射結(jié)束后，變?yōu)榭臻e狀態(tài)，使能保存按鈕，供用戶(hù)選擇是否保存此次記錄。根據(jù)以上注射邏輯設(shè)計(jì)顯示端和注射端的程序。

3.1 顯示端程序設(shè)計(jì)

注射器的顯示端首先需要負(fù)責(zé)注射模式的切換，參數(shù)的輸入，指令的打包發(fā)送，然后是反饋數(shù)據(jù)（主要是剩余量、壓力、注射狀態(tài)和錯(cuò)位類(lèi)型）的解析與顯示。此外，顯示端還需要有參數(shù)修改、保存、恢復(fù)和壓力數(shù)據(jù)保存、回放、導(dǎo)出的功能。程序全程使用Java編寫(xiě)，基于安卓系統(tǒng)5.1，對(duì)應(yīng)目標(biāo)SDK版本22。如圖3所示，程序主要由主進(jìn)程（負(fù)責(zé)交互）和三個(gè)后臺(tái)常駐進(jìn)程（串口通信、按鍵監(jiān)聽(tīng)、異常監(jiān)聽(tīng)）組成。串口通信進(jìn)程負(fù)責(zé)將注射指令按照約定的通信協(xié)議打包和發(fā)送，以及反饋數(shù)據(jù)包的解析。按鍵進(jìn)程負(fù)責(zé)定時(shí)掃描實(shí)體按鍵信號(hào)。異常監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程定時(shí)檢測(cè)和復(fù)位系統(tǒng)反饋的錯(cuò)誤代號(hào)（例如，通訊連接失敗，24 V供電電壓過(guò)低等）。所有的后臺(tái)進(jìn)程處理數(shù)據(jù)和信號(hào)的結(jié)果都將交由主進(jìn)程（UI進(jìn)程）顯示到屏幕。程序中分別使用輕量化本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)SQLite，Shared Preferences與文本形式保存壓力曲線(xiàn)圖數(shù)據(jù)，用戶(hù)設(shè)置參數(shù)以及界面當(dāng)前注射信息。此外還有一些輔助性功能，例如自定義鍵盤(pán)、多語(yǔ)言支持、參數(shù)手動(dòng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)時(shí)間修改等等。

圖3 顯示端安卓程序架構(gòu)Fig.3 Framework of Android program on display side

3.2 注射端程序設(shè)計(jì)

注射器的注射端程序分成兩個(gè)部分，一個(gè)運(yùn)行于微處理器STM32f103ret6，一部分運(yùn)行于微處理器STM32f103c8t6。前者負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理，后者負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。業(yè)務(wù)邏輯處理程序包括按鍵、LED、蜂鳴器、編碼器、限位開(kāi)關(guān)、ADC采樣、片上Flash等外設(shè)處理程序，還包括CAN通信，串口通信，數(shù)據(jù)解析、校驗(yàn)等數(shù)據(jù)處理程序，最后是與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片STM32f103c8t6通信的程序接口。

微處理器STM32f103c8t6上的程序根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)方式分成兩個(gè)版本（六步方波版和FOC版本）。六步方波就是將電機(jī)電周期根據(jù)霍爾信號(hào)（代表轉(zhuǎn)子位置）分成六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一種MOS管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。程序中以10 kHz頻率掃描霍爾信號(hào)，檢測(cè)到變化后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的霍爾信號(hào)-開(kāi)關(guān)寄存器對(duì)照表打開(kāi)或關(guān)閉某一橋臂。然后通過(guò)脈寬調(diào)制+PID控制實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。速度閉環(huán)中實(shí)際速度大小是由單位時(shí)間內(nèi)霍爾信號(hào)的變化次數(shù)轉(zhuǎn)換而來(lái)，速度方向是由霍爾信號(hào)變化順序?qū)Ρ榷鴣?lái)。FOC的基本原理是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，二者相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。FOC版本的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)稍加復(fù)雜，基于Simulink的FOC+SVPWM仿真示意，如圖4所示。FOC程序主要包括Clark、Park變化與反變換，三ADC同步觸發(fā)的電流電壓采樣，用于估計(jì)轉(zhuǎn)子速度和位置的反電動(dòng)勢(shì)滑膜觀測(cè)器，以及電流環(huán)和速度環(huán)的PID控制器。SVPWM的基本原理是根據(jù)MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)定義七個(gè)基本電壓矢量，將前級(jí)FOC生成的目標(biāo)電壓矢量分解成這七個(gè)基本電壓矢量的和，然后計(jì)算各個(gè)矢量的工作時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際電壓矢量末端軌跡為近似圓形。相比于六步方波，顯著減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。SVPWM程序包括扇區(qū)判斷，中間變量計(jì)算，占空比計(jì)算和基本矢量分解。在實(shí)際程序中，電流采樣需要在對(duì)應(yīng)下橋臂MOS管導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行，為了保證采樣準(zhǔn)確性，使用三個(gè)獨(dú)立ADC在MOS管導(dǎo)通時(shí)間段的中間點(diǎn)同步采樣。綜合芯片的運(yùn)算性能和控制需求，系統(tǒng)的控制頻率為10 kHz較好（STM32f407zgt6上實(shí)際測(cè)得）。

圖4 基于Simulink的FOC+SVPWM仿真示意Fig.4 Sketch map of FOC and SVPWM based on Simulink

4 功能驗(yàn)證與總結(jié)

系統(tǒng)軟硬件搭建完成后進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試與功能及參數(shù)驗(yàn)證。功能主要包括業(yè)務(wù)邏輯能否正常運(yùn)行，關(guān)鍵參數(shù)主要包括速度和位置定位精度、壓力采集精度（校準(zhǔn)后）、持續(xù)工作速度范圍等。注射器關(guān)鍵參數(shù)實(shí)際與預(yù)期的對(duì)比，如表1所示。

表1 注射器關(guān)鍵參數(shù)實(shí)際與預(yù)期的對(duì)比Tab.1 Comparison between actual key parameters and expectations of the injector

本研究在注射端主控板上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟硬件，結(jié)合外部傳感器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的速度閉環(huán)和位置伺服，使電機(jī)按照指令平穩(wěn)運(yùn)行。在顯示端安卓主板上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了交互程序和通訊機(jī)制，將注射指令分解成電機(jī)控制指令。經(jīng)過(guò)測(cè)試，雙相高壓造影劑注射器的所有預(yù)期功能皆已實(shí)現(xiàn)。