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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)E1和E4在混合環(huán)中進(jìn)行矢量合成，合成的信號(hào)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(hào)E2和E3，矢量的合成信號(hào)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(hào)V2和V3，之后送入差分放大電路，得到合成電壓差信號(hào)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(duì)入射波與反射波包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行差分放大，得到反映頻差的合成信號(hào)[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(hào)通過耦合、衰減、檢波后的包絡(luò)信號(hào)幅度的絕對(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)經(jīng)前置差分放大電路放大后的電壓差信號(hào)進(jìn)行采樣保持，要求得到的電壓差信號(hào)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(hào)耦合到采樣保持器AD585的第2引腳，其合成的信號(hào)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(hào)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(duì)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(chǔ)在X25045芯片中對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)精密電位器采樣到的磁控管調(diào)節(jié)活塞的位置對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，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(chǔ)在存儲(chǔ)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?cè)O(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(duì)指令做出反應(yīng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)指令做出反應(yīng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)當(dāng)前的頻率值，對(duì)應(yīng)連續(xù)測(cè)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(duì)頻率穩(wěn)定的精度。

分別對(duì)前向波和反向波的頻率測(cè)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(duì)值的平均值用f3表示，其中

不同能檔時(shí)，頻率差值絕對(duì)值的平均值的測(cè)量結(jié)果，見表1。

表1 不同能檔時(shí)頻率差值絕對(duì)值的平均值的測(cè)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(duì)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(guó)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(duì)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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