基于LabVIEW與DSP的電機調(diào)速系統(tǒng)在光聲圖像采集中應(yīng)用

鄭 勝，白曉淞，周俊趙

(1.桂林電子科技大學，桂林541004;2.中科院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)工所，深圳518052)

0 引 言

光聲成像是國際上新發(fā)展的一種無創(chuàng)在體生物醫(yī)學成像技術(shù)，具有高分辨成像能力和成像深度，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，并得到迅速發(fā)展［1］。而光聲成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量對拖動電機和掃描電機控制有著較高的要求，它不僅要求多模成像系統(tǒng)掃描圖像電機速度保持穩(wěn)定，而且其上位機程序要集成到上位機圖像采集與數(shù)據(jù)處理主系統(tǒng)中去，并要實現(xiàn)圖像采集的速度可調(diào)?；诖?，本文設(shè)計了基于Lab-VIEW與DSP的電機調(diào)速系統(tǒng)，采用串口通信的方式，實現(xiàn)上位機LabVIEW與控制器DSPTMS320F2812的通信，DSP通過控制算法實現(xiàn)電機速度的穩(wěn)定控制。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及通信設(shè)計

1.1 硬件構(gòu)成

基于LabVIEW與DSP的電機調(diào)速系統(tǒng)主要分為三部分，第一部分是基于LabVIEW的上位機，用來發(fā)送和接收速度值;第二部分是伺服控制器DSP，主要功能是接收RS232串口速度指令，采集轉(zhuǎn)速、電流信號采用控制算法加以實現(xiàn);第三部分為電機驅(qū)動模塊、光電編碼器、電機等。這里電機為富士GYS201D5－RC2三相交流電機，光電編碼器為2500線的多摩川增量式光電編碼器TS2604N321E64，控制芯片選用DSP TMS320F2812，晶振為30 MHz，通過鎖相環(huán)倍頻為150 MHz。其原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 通信方式設(shè)計

通信方式采用SCI串行口通信，其參數(shù)設(shè)置如下:波特率為19 200 b/s，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無奇偶校驗位，上位機LabVIEW與DSP通過RS232串口半雙工通信來完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP上電后等待激光器的初始化，當激光器完成初始化并激發(fā)換能器后，基于LabVIEW的上位機程序發(fā)送速度命令，DSP收到速度命令后驅(qū)動拖動電機和掃描電機以恒定的轉(zhuǎn)速帶動光纖和掃描探頭旋轉(zhuǎn)，當完成了規(guī)定掃描范圍的n幀圖像數(shù)據(jù)采集后，LabVIEW自動發(fā)出停止命令，DSP通過反接制動控制電機停止掃描。DSP作為控制器實現(xiàn)對上位機系統(tǒng)速度值的接收和對電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。

2 基于LabVIEW的上位機程序

虛擬儀器是一種基于計算機軟件的儀器系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學工程、自動化儀器儀表、機器人視覺、工業(yè)控制與檢測等。虛擬儀器技術(shù)在醫(yī)療裝備中主要的應(yīng)用有醫(yī)學信號的數(shù)據(jù)采集和分析、醫(yī)療裝備系統(tǒng)的控制及遠程醫(yī)療系統(tǒng)等［2］。VISA作為虛擬儀器編程的標準I/O的API，是LabVIEW實現(xiàn)程序通信的底層模塊，其獨立于操作系統(tǒng)，可根據(jù)使用儀器的類型來調(diào)用相應(yīng)的程序，無需學習各種儀器的通信協(xié)議，是一個用來在串口通信設(shè)備、VXI或PXI設(shè)備、USB設(shè)備、GPIB設(shè)備以及其他基于計算機設(shè)備間通信的函數(shù)庫［3］。上位機串口通信部分程序如圖2所示，這里串口通信程序總體架構(gòu)是基于生產(chǎn)者與消費者循環(huán)來實現(xiàn)的，通過對VISA的功能模塊進行配置和調(diào)用來完成。首先是創(chuàng)建用戶注冊事件和對串口的初始化配置等，配置參數(shù)要與DSP的SCI串口初始化的程序時的設(shè)置一致;其次在while中循環(huán)的讀取和寫入速度值，并產(chǎn)生相應(yīng)動態(tài)的注冊事件來停止或重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 上位機通信部分程序面板

為避免發(fā)送出錯，采用注冊動態(tài)事件方式檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)幀與DSP回傳的數(shù)據(jù)幀是否一致，一致則認為發(fā)送成功，超時則停止，其他情況則采用默認注冊事件方式重新發(fā)送，這樣保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c準確性。

3 基于DSP的控制器設(shè)計

控制器C程序在CCS環(huán)境下編寫，主要包括主程序、參數(shù)初始化子程序(時鐘、看門狗、SCI串口、AD模塊、事件管理器模塊、GPIO口定義模塊、EQEP模塊)、串口中斷服務(wù)及控制算法的實現(xiàn)程序等。

1)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。在標準SCI模式下通過中斷方式來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)接收區(qū)和數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)，用來存放LabVIEW發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀和單片機要發(fā)送給LabVIEW的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀［4］。當接收中斷發(fā)生時，DSP將串口發(fā)送來的控制值通過中斷函數(shù)SCIRXINTA_ISR裝入數(shù)據(jù)接收區(qū)，由于Lab-VIEW從串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)值為ASCII字符形式，因此轉(zhuǎn)換為控制的速度值時一定要轉(zhuǎn)換為無符號的整型數(shù)，每一個ASCII碼字符與其整型數(shù)相差48。當進入發(fā)送中斷單片機將發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)通過SCITXINTA_ISR中斷函數(shù)發(fā)送給上位機并判斷發(fā)送的控制值是否正確，不正確則上位機重新發(fā)送。

2)由于在圖像采集的電機調(diào)速過程中要求電機調(diào)速迅速、平滑，因此速度跟隨要越快越好。此外，由于負載變化和系統(tǒng)受到擾動時，系統(tǒng)的開環(huán)速度控制并不能消除速度值與期望值的偏差，這樣就會導致圖像采集的線數(shù)出現(xiàn)偏差或是不均勻，因此，系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制以提高系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和抗干擾的能力，其中速度給定值由上位機Lab-VIEW發(fā)送并由DSP串口接收，速度測量值采用M法測速，即由光電編碼器采集的脈沖信號送到DSP專門的EQEP口并與定時器值結(jié)合計算得來。雖然系統(tǒng)的控制目的是對電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定精確控制，但是僅對速度的控制是不能達到掃描電機的精確速度控制和快速啟停的，電機的控制本質(zhì)就是轉(zhuǎn)矩的控制，因此對轉(zhuǎn)矩的控制顯得尤為必要，而轉(zhuǎn)矩在電機電流不超過其額定值時，轉(zhuǎn)矩與電機的電流幾乎成正比，所以要控制好轉(zhuǎn)矩就是要控制好電機的電流。這樣通過對電樞電流的閉環(huán)控制不僅可以減少諧波成分和轉(zhuǎn)矩脈動，而且在快速啟停時，避免了速度調(diào)節(jié)器出現(xiàn)飽和，使系統(tǒng)獲得最大的加減速，此外通過電流飽和閾值限制避免了過載電流的出現(xiàn)，具有良好的靜態(tài)特性，而且電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，其閉環(huán)控制要比速度控制快得多，通過對電流的閉環(huán)控制明顯提高了系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性能和抗干擾能力［5］，所以系統(tǒng)采用的是雙閉環(huán)控制，串聯(lián)連接，內(nèi)為電流環(huán)，外為速度環(huán)，這樣就可以實現(xiàn)電機的在線調(diào)控。其控制算法框圖如圖3所示。

3)主程序完成初始后，等待中斷發(fā)生，當中斷發(fā)生時，DSP TMS320F2812作為控制核心，接收到上位機發(fā)送的速度值和采集相電流值和計算實際轉(zhuǎn)速值，通過PI控制算法，采用電壓空間矢量SVPWM［6］技術(shù)，經(jīng)高速光耦隔離后來控制三相電壓源逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合以及開關(guān)時間的長短，經(jīng)橋式模塊驅(qū)動電機實現(xiàn)調(diào)速控制。伺服電機的電流通過AD采樣送入DSP的IO口，轉(zhuǎn)速信號則通過EQEP口反饋給DSP，形成對電機的雙閉環(huán)PI控制。系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，母線電壓利用率高，易于數(shù)字化控制;上位機通過USB轉(zhuǎn)RS－232串口發(fā)送調(diào)速指令，完成對電機速度的在線調(diào)控，其程序流程圖如圖4所示。

圖3 控制算法框圖

圖4 程序流程圖

4 實 驗

硬件連接好后，當上位機發(fā)出控制速度1 800 r/min時，電機轉(zhuǎn)速運行達到1 800 r/min，運行平穩(wěn)，當完成規(guī)定的掃描長度后，上位機自動發(fā)出停止命令，電機也能迅速停止，掃描完成。當轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，用邏輯分析儀測得同一橋臂上下兩個開關(guān)管的PWM驅(qū)動波形，如圖5所示。

從示波器中觀察單相橋臂的電壓波形和電流波形如圖6所示。波形1為電壓波形，波形2為電流波形，近似為周期正弦信號，諧波成分小，這與理論相吻合，說明整個系統(tǒng)已達到了預期的效果，具有良好的動靜態(tài)性能。

圖5 同一橋臂的PWM驅(qū)動波形

圖6 單相橋臂的電壓波形和電流波形(截圖)

5 結(jié) 語

本文利用LabVIEW強大的串口通信功能和DSP優(yōu)越的電機控制性能，完成了對光聲圖像采集系統(tǒng)中掃描電機速度的快速穩(wěn)定精確控制。運行結(jié)果顯示在線調(diào)速時間短，速度控制穩(wěn)定準確，具有良好的操作性能和控制性能，為成像系統(tǒng)提供了一種利用LabVIEW控制電機掃描速度的方法，實驗證明其運行穩(wěn)定可靠，具有一定的應(yīng)用價值。

［1］陶超，劉曉峻.生物醫(yī)學光聲成像的研究進展［J］.應(yīng)用聲學，2012，31(6):8－9.

［2］饒程，熊興良.虛擬儀器技術(shù)及其在醫(yī)學信號采集中的應(yīng)用［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004(3):12－15.

［3］朱建平，呂春峰.基于LabVIEW的單片機串口通信實現(xiàn)［J］.機械工程與自動化，2008.

［4］顧衛(wèi)鋼.手把手教你學 DSP——基于 TMS320X281X［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［5］趙立新，丁筱玲，劉雙喜.轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流雙閉環(huán)控制變頻調(diào)速器［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33(2):135.

［6］周有為，劉和平，楊利輝.基于TMS320F2812的SVPWM的研究［J］.電氣傳動，2005，24(2):98－101.