基于MSP430的醫(yī)用直線加速器自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

錢琳琳，劉彥偉

泰安市中心醫(yī)院 設(shè)備科，山東 泰安 271000

引言

自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)（Automatic Frequency Control，AFC）是直線加速器控制系統(tǒng)的核心，其性能的穩(wěn)定性將直接影響加速器磁控管產(chǎn)生微波頻率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性以及加速器輸出射線（X線、電子線）的物理指標(biāo)，因此，設(shè)計(jì)出一種性能穩(wěn)定的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)將直接影響加速器質(zhì)量的優(yōu)劣[1-2]。為了降低自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的功耗，提高數(shù)據(jù)處理的速度，本文采用低功耗且數(shù)據(jù)處理速度快的MSP430單片機(jī)作為控制器。為了提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了鎖相型自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用鑒相的方法，將磁控管頻率變化產(chǎn)生的頻率差轉(zhuǎn)換成前向波和反向波的相位差，將相位差轉(zhuǎn)化為電壓差由放大電路放大后送給MSP430單片機(jī)處理[3]，MSP430單片機(jī)用來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定磁控管振蕩頻率的目的。此外，為了保證系統(tǒng)的安全性，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)增加了對電機(jī)過流保護(hù)和限位保護(hù)功能。

1 自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的直線加速器的鎖相型AFC系統(tǒng)的硬件原理圖，見圖1，由磁控管及調(diào)諧機(jī)構(gòu)、四端環(huán)流器、取樣導(dǎo)波、衰減器、檢波座與檢波二極管、混頻橋以及穩(wěn)頻與觸發(fā)組成。磁控管與四端環(huán)流器之間接入能夠耦合出反映入射波狀態(tài)的信號E1的取樣波導(dǎo)1，E1通過衰減器和移相器送到微波的混合環(huán)端口1，在四端環(huán)流器和四端環(huán)流器的吸收負(fù)載之間接入能夠耦合出反映反射波狀態(tài)信號E4的取樣波導(dǎo)2，E4通過衰減器送到微波的混合環(huán)端口4。信號E1和E4在混合環(huán)中進(jìn)行矢量合成，合成的信號在微波混合環(huán)中進(jìn)行矢量合成，經(jīng)過混合環(huán)的端口2和3輸出矢量的合成信號E2和E3，矢量的合成信號E2和E3通過檢波器進(jìn)行平方率檢波輸出脈沖的包絡(luò)信號V2和V3，之后送入差分放大電路，得到合成電壓差信號Ve=k(V2-V3)，放大后的Ve經(jīng)采樣保持電路以及功率放大電路后調(diào)節(jié)調(diào)諧電機(jī)去調(diào)節(jié)磁控管，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)磁控管發(fā)出微波的頻率[4]。

圖1 自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)原理圖

1.1 前置差分放大電路

前置差分放大電路主要對入射波與反射波包絡(luò)信號進(jìn)行差分放大，得到反映頻差的合成信號[5-6]。本文設(shè)計(jì)的前置差分放大電路的電路圖，見圖2。入射波與反射波信號通過耦合、衰減、檢波后的包絡(luò)信號幅度的絕對值在0～0.5 V左右，本文中前向波和反向波頻率的變化最終經(jīng)兩個(gè)檢波二極管后分別輸入到前置差分放大電路的兩個(gè)輸入端，分別用AFCA和AFCB表示，該前置放大電路為差動(dòng)放大電路，利用差動(dòng)放大電路的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)該電路中干擾信號時(shí)，設(shè)為ΔV，則AFCA=A+ΔV，AFCB=B+ΔV，前置放大電路的輸出電壓為：

誤差ΔV得到了抵消，C1和R1構(gòu)成耦合電路，耦合電容C1對電路構(gòu)成低通濾波，滑動(dòng)變阻器RPl起分壓作用，通過調(diào)節(jié)可以改變放大器U3B的輸出電壓，反向連接的穩(wěn)壓管CR1和CR2串聯(lián)起到穩(wěn)壓的作用，最終將放大穩(wěn)壓后的信號輸出給采樣保持電路，前置差分放大電路在圖1自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)原理圖中的位置位于兩個(gè)檢波二極管和取樣保持部分之間[7-8]。

1.2 采樣保持電路

采樣保持電路能夠很好的跟蹤或保持輸入模擬信號的電平值，本文設(shè)計(jì)的采樣保持電路圖，見圖3。其主要作用是對經(jīng)前置差分放大電路放大后的電壓差信號進(jìn)行采樣保持，要求得到的電壓差信號能夠反映頻差的變化，經(jīng)前置放大電路放大后的電壓差信號耦合到采樣保持器AD585的第2引腳，其合成的信號脈沖寬度大約為4.2 μs左右，它在圖1自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)原理圖中的位置為取樣保持部分。

1.3 功率放大及電機(jī)控制電路

加速管與磁控管的頻率不一致產(chǎn)生頻率差，頻率差的變化會(huì)轉(zhuǎn)換成相位差，通過檢相二極管轉(zhuǎn)換成電壓差，經(jīng)差分放大電路和采樣保持電路的電壓差信號送入功率放大電路及電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制電路（圖4）后，會(huì)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)磁控管產(chǎn)生的頻率，它在圖1自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)原理圖中的位置為控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分[9-10]。

1.4 MSP430單片機(jī)控制電路

MSP430作為控制器，其作用是對主控PC機(jī)發(fā)出的指令（能檔切換、狀態(tài)/參數(shù)設(shè)置/查詢、加/切斷高/低壓、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換等）進(jìn)行處理，并控制AFC自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的動(dòng)作，見圖5。

圖2 AFC的前置放大電路

圖3 AFC系統(tǒng)的采樣保持電路

圖4 功率放大及電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制電路

圖5 MSP430單片機(jī)控制電路

直線加速器分為電子線五個(gè)檔位和X線兩個(gè)檔位，當(dāng)選擇某個(gè)能檔時(shí)，單片機(jī)會(huì)選擇存儲在X25045芯片中對應(yīng)的電壓值，通過調(diào)節(jié)調(diào)諧電機(jī)來調(diào)節(jié)磁控管的頻率。為了防止電路過流對電機(jī)造成損害，將電路采集的電流值經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入MSP430單片機(jī)，單片機(jī)將該采樣值與過流門限值進(jìn)行比較后發(fā)出控制信號來控制電機(jī)停轉(zhuǎn)[11-12]。為了防止磁控管活塞超限，利用MSP430單片機(jī)對精密電位器采樣到的磁控管調(diào)節(jié)活塞的位置對應(yīng)的電壓值與磁控管調(diào)節(jié)活塞的兩個(gè)盡頭位置對應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2 自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 AFC系統(tǒng)與主控計(jì)算機(jī)的通信

直線加速器自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)與加速器主控制計(jì)算機(jī)之間的通信主要是通過RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)AFC系統(tǒng)的MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到加速器主控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的報(bào)文后，會(huì)對報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)的處理和應(yīng)答，執(zhí)行直線加速器主控制計(jì)算機(jī)的指令。

2.2 AFC控制系統(tǒng)的PC機(jī)控制設(shè)計(jì)

AFC系統(tǒng)采用的控制器核心部件為MSP430單片機(jī)，利用其強(qiáng)大的處理能力、運(yùn)行速度快、中斷源較多以及功耗低的優(yōu)點(diǎn)可以很好的實(shí)現(xiàn)AFC系統(tǒng)的軟件控制。

AFC系統(tǒng)的PC機(jī)控制軟件系統(tǒng)主要用來控制自動(dòng)/手動(dòng)切換、加/切斷低壓或加/切斷高壓，能檔控制模塊、設(shè)置狀態(tài)/參數(shù)，查詢當(dāng)前參數(shù)/狀態(tài)等。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)軟件，見圖6，其包含4個(gè)模塊，分別是AFC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)模塊、能檔控制模塊、信息設(shè)置模塊模塊和信息查詢模塊。

圖6 自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)軟件

2.2.1 AFC控制系統(tǒng)的能檔控制設(shè)計(jì)

直線加速器多個(gè)能檔對應(yīng)不同的頻率，當(dāng)切換能檔時(shí)，單片機(jī)送出的各個(gè)能檔對應(yīng)的數(shù)字電壓信號會(huì)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，為了方便的進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試階段手動(dòng)調(diào)節(jié)磁控管的輸出頻率，找出各個(gè)能檔的最佳工作頻率點(diǎn)。

為了達(dá)到更佳的調(diào)節(jié)精度，本文將各能檔的最佳頻率位置點(diǎn)存儲在存儲芯片X25045中，利用MSP430單片機(jī)軟件控制在切換不同的能檔時(shí)調(diào)出使用，并利用PWM（脈沖寬度調(diào)制）軟件編程來驅(qū)動(dòng)磁控管的調(diào)諧電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)磁控管的輸出頻率的目的。

2.2.2 AFC控制系統(tǒng)的設(shè)置和查詢設(shè)計(jì)

當(dāng)按下設(shè)置狀態(tài)/設(shè)置參數(shù)或查詢狀態(tài)/查詢參數(shù)按鍵時(shí)，AFC系統(tǒng)的主控PC機(jī)發(fā)出指令，通過RS485通信模塊傳輸給加速器自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)（AFC系統(tǒng)）的控制器MSP430單片機(jī)，MSP430單片機(jī)根據(jù)接收到的指令將查詢到的狀態(tài)或參數(shù)信息通過RS485通信模塊反饋給主控PC機(jī)，并在主控PC機(jī)上顯示。

2.3 AFC的主程序模塊流程圖設(shè)計(jì)

自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)軟件主程序主要是判斷單片機(jī)是否接收到加速器主控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令并對指令做出反應(yīng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)（AFC系統(tǒng)）的狀態(tài)，主程序模塊的流程圖，見圖7。主程序模塊主要是判斷MSP430單片機(jī)是否接收到加速器主控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令并對指令做出反應(yīng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前AFC系統(tǒng)的狀態(tài)[13-14]。

圖7 主程序模塊的流程圖

3 自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)能否滿足要求，先進(jìn)行調(diào)試，然后驗(yàn)證當(dāng)AFC開關(guān)處于自動(dòng)或手動(dòng)位置時(shí)AFC系統(tǒng)是否可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻[15]，此外，直線加速器處于電子線5個(gè)檔位，X線兩個(gè)檔位時(shí)，AFC系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定的精度。

3.1 AFC穩(wěn)頻效果驗(yàn)證

當(dāng)AFC處于手動(dòng)位置時(shí)，設(shè)置劑量率為100出束，此時(shí)調(diào)劑量率到最大，調(diào)節(jié)AFC的偏差為0，向右撥動(dòng)AFC選擇開關(guān)時(shí)，AFC偏差變?yōu)樨?fù)值并至最小，同時(shí)劑量率變小，向左撥動(dòng)AFC開關(guān)時(shí)，AFC偏差由負(fù)經(jīng)0變向正值并至最大，同時(shí)劑量率由小變大再變小，說明當(dāng)AFC開關(guān)處于手動(dòng)位置時(shí)，AFC系統(tǒng)能起到穩(wěn)頻的效果。當(dāng)AFC置于自動(dòng)位時(shí)置，AFC偏差變向0，同時(shí)劑量率增大，說明當(dāng)AFC開關(guān)處于自動(dòng)位置時(shí)AFC系統(tǒng)能起到穩(wěn)頻的效果。

3.2 能檔測試結(jié)果驗(yàn)證

將頻譜儀接在前向波采樣波導(dǎo)和四端換流器電路的頻率觀察端口，在電子直線加速器正常工作出束情況下，用頻譜儀監(jiān)測當(dāng)前的頻率值，對應(yīng)連續(xù)測量5次，求其平均值，然后取出前向波采樣波導(dǎo)處的頻率和四端換流器處反向波的頻率的差值，這個(gè)差值反映了AFC系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定的精度。

分別對前向波和反向波的頻率測量5次，求其平均值為f1和f2，單位為MHz，當(dāng)直線加速器位于不同的能檔（X 線檔 X4、X6，電子線檔 E6、E8、E10、E12、E14）時(shí)，前向波和反f向波頻率差值絕對值的平均值用f3表示，其中

不同能檔時(shí)，頻率差值絕對值的平均值的測量結(jié)果，見表1。

表1 不同能檔時(shí)頻率差值絕對值的平均值的測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)直線加速器位于不同的能檔時(shí)，前向波和反向波頻率差值絕對值的平均值均小于等于0.018 MHz，該結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的直線加速器的AFC自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了電子直線加速器國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為控制器，比采用STC89C52單片機(jī)作為控制器的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的功耗低且數(shù)據(jù)運(yùn)行處理的速度快[16]。本文采用鑒相方法設(shè)計(jì)的鎖相型自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)克服了早期設(shè)計(jì)的晶振式自動(dòng)穩(wěn)頻系統(tǒng)和雙腔式自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)因溫度和外界條件變化引起的直線加速器磁控管頻率的變化，該系統(tǒng)具有控制精度高、穩(wěn)定性高和誤差小的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的直線加速器位于不同的能檔時(shí)，前向波和反向波頻率差值絕對值的平均值均小于等于0.018 MHz，其頻率穩(wěn)定精度在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，達(dá)到了總體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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