左心室轉子多路測試與控制系統(tǒng)

夏 甜 ，蔡玉文，周建萍，楊 云 ，劉曉軍

（中南民族大學 生 物醫(yī)學工程學院，湖北 武 漢430074）

電渦流位移傳感器系統(tǒng)廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)和一些科研單位。對汽輪機、水輪機、鼓風機、壓縮機、空分機、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉機械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、軸轉速、脹差、偏心、以及轉子動力學研究和零件尺寸檢驗等進行在線測量和保護?？梢钥闯鲭姕u流傳感器系統(tǒng)在生物醫(yī)學方面是一篇空白，而二十一世紀，健康顯得尤為重要，在這樣的前提下，我們把目光投向了生物醫(yī)學工程方面。

此次選題是希望通過電渦流傳感器來對被物體的位置進行精確的測量和監(jiān)控，將其推廣到醫(yī)學領域，精確快速測量人工心臟心室微小變化，對人工心臟進一步研究起到了促進作用，具有很深遠的意義。

同時此次研究的內容與本專業(yè)很相關，可以將所學的理論知識應用于實踐，學以致用，提高自身的科學素養(yǎng)。

1 系統(tǒng)總體結構設計

左心室轉子位移多路測試系統(tǒng)是一種由4個部分構成的系統(tǒng)，包括電渦流傳感器多路數(shù)據(jù)采集，A/D轉換，DSP控制器，12864液晶顯示.主要是通過電渦流傳感器采集信號，利用A/D轉換器采集人工心臟泵轉子位移信號，再通過PID設計實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，將多路采集的數(shù)據(jù)在12864液晶顯示屏上直觀的顯示出來。

設計方案如圖1所示。

圖1 左心室轉子位移多路測試系統(tǒng)Fig.1 Multi-channel test system of left ventricular rotor displacement

2 轉子位移檢測

轉子的位移實時檢測是使用電渦流位移傳感器；電渦流位移傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面距離；能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流位移傳感器工作過程為當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化成電壓變化，最終完成機械位移轉換成電壓。

3 電壓AD轉換

傳感器測到的電壓要經(jīng)過AD轉換成數(shù)字信號才能進行后處理。而本文采用的是DSPF2812[1]內部的自帶的16路的12位分辨率、具有流水線結構的AD，這樣可以減少成本和PCB布線，其結構框圖如圖2所示。

圖2 電壓AD轉換Fig.2 ADC of voltage

為了保險起見，在輸入的電壓進DSP[2]的AD口時，加入一個如圖3的鉗位電路[3]。當輸入的電壓超過3.3 V時，二極管D1導通，ADC輸入引腳上的電壓為3.3 V；當輸入電壓為負值時，二極管D2導通，ADC輸入引腳的電壓為0；這樣就能是ADC輸入引腳上的電壓穩(wěn)定在0～3.3 V，從而保護ADC輸入的端口。

圖3 鉗位電路Fig.3 Circuit of clamping diode

4 PID控制算法與LCD顯示

圖4 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.4 Closed loop control system of PID

本控制系統(tǒng)采用PID位置式控制算法[5]，其流程圖如圖5所示。

圖5 PID位置式控制算法Fig.5 Position type PID control algorithm

5 控制量DA輸出與功率放大

PID[6]控制算法計算出來的數(shù)值通過DA輸出來控制功率管來驅動轉子轉動。為了實現(xiàn)多路DA，則采用帶有SPI接口的12位4路DA輸出芯片max5253，只要使用3片芯片就能實現(xiàn)10路DA的輸出。為了提高DA的驅動能力，則在后加上甲乙類功率放大。

6 實驗結果

1）單個傳感器測量轉子徑向位移示意圖如圖6所示。

圖6 單個傳感器測量轉子徑向位移示意圖Fig.6 Diagram of a single sensor rotor radial displacement

2）功率放大器的仿真如圖7所示。

3）單個傳感器測量數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 轉速為0rad/min時所測電壓值Tab.1 Speed of 0 rad/min when the measured voltage value

表2 轉速為300rad/min時所測電壓值Tab.2 Speed of 300 rad/min when the measured voltage value

表3 轉速為800rad/min時所測電壓值Tab.3 Speed of 800 rad/min when the measured voltage value

4）單個傳感器測量數(shù)據(jù)分析如表4所示。

5）不同通道數(shù)據(jù)采樣的處理如圖8所示。

圖8 Matlab處理結果Fig.8 Processing results of Matlab

表4 單個傳感器測量數(shù)據(jù)分析Tab.4 Data analysis of asingle sensor measurement

7 結 論

文中說明了用電渦流傳感器能很好的應用在醫(yī)療領域。提出的方案能基本實現(xiàn)左心室轉子的控制與測試，能從10個不同的方向監(jiān)測轉子在運動時的位移改變檢測和實時的控制。能精確快速測量人工心臟心室微小變化，對人工心臟進一步研究起到了促進作用，具有很深遠的意義。但是還有著需要改進的地方，在PID控制算法時，可以采用更加先進的控制算法，在功率驅動時采用PWM來提高系統(tǒng)的功率。

[1]牛小兵，許愛德，王丹.DSP控制器實用教程[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[2]張小鳴.DSP控制原理及應用[M].北京:清華大學出版社，2009.

[3]蔣立平.模擬電路與數(shù)字電路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[4]黃友銳，曲立國.PID控制器參數(shù)整定與實現(xiàn)[M].北京：海淀區(qū)，科學出版社，2010.

[5]LI Jun，LI Yun-tang.Dynamic analysis and PID control for a quadrotor[J].International Conference on Mechatronics and Automation，2011:573-578.

[6]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.