0 引 言
隨著電子計算機等科學技術的發(fā)展，醫(yī)療設備的現(xiàn)代化、智能化研究越來越受到人們的關注，大量的科學家及工程技術人員都積極地投入到這一場醫(yī)療設備的革命中，其中，對各種類型射線底片觀片設備的研究也是醫(yī)療設備開發(fā)的重點。由于傳統(tǒng)的觀片設備亮度低、均勻性差、容易引起視疲勞等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化醫(yī)學診斷的要求。利用CCFL開發(fā)的觀片儀具有結構簡單、燈管表面溫升小、燈管表面亮度高、使用壽命長、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點。
本文介紹一種以C8051F350單片機作為主控芯片的全自動CCFL觀片儀亮度調節(jié)系統(tǒng)，當環(huán)境光強發(fā)生變化后，該系統(tǒng)能夠使觀片儀的背景照明光強與環(huán)境光強比值保持最佳，觀測者看到的射線底片內容最為清晰而且不容易產(chǎn)生視覺疲勞。觀片儀亮度與環(huán)境光強的比值最初可由觀測者根據(jù)自己的具體情況設定。該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)觀片儀的自動開關，插入射線底片后自動點亮觀片儀，當系統(tǒng)閑置時，觀片儀會自動關閉進入省電模式，延長了冷陰極燈管的使用壽命。
1 CCFL觀片儀調光原理
基于CCFL的觀片儀是一種由冷陰極高頻光源通過液晶背光技術(LCD)產(chǎn)生大面積的高亮度、均勻性好、噪聲低的環(huán)保節(jié)能設備。采用CCFL背光照明技術，將線光源轉變?yōu)榱炼染鶆虻拿婀庠础CFL發(fā)光強度由DC／AC逆變器控制，通過改變逆變器控制電壓從而改變CCFL的發(fā)光強度。為實現(xiàn)環(huán)境光強變化后觀片儀能夠自動調節(jié)到最佳觀測亮度，利用光電傳感器動態(tài)采集環(huán)境光強，由C8051F350對信號進行A／D化，根據(jù)一定的算法處理后輸出CCFL控制的電壓，達到自動調光的目的。
2 硬件設計
觀片儀控制系統(tǒng)主要由自動開關、調光控制、通信接口三部分構成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用C8051F350為主控芯片，紅外對射管實現(xiàn)觀片儀的自動開關。單片機通過實時采集環(huán)境光強和背景照明光強，實現(xiàn)觀片儀亮度的動態(tài)調節(jié)。通信部分則采用RS 232接口方式，主要完成系統(tǒng)參數(shù)的設置以及固件程序的在系統(tǒng)升級(ISP)。
2．1 紅外對射管
觀片儀自動開關由紅外對射管傳感器實現(xiàn)。當紅外對射管之間插入射線底片后，紅外接收管則輸出信號，程序檢測到該信號從而打開CCFL；當系統(tǒng)閑置時，觀片儀則自動熄滅。
紅外對射管選擇霍尼韋爾公司的SEP8505-002，其工作波長為935nm，材料為GaAs(砷化鎵)，發(fā)光功率為7．8mW／cm(流明)，光譜寬度為80 nm，正向壓降為1．5V，輸出電流為20 mA。與其配對的紅外接收管為SDP8405—002，功率為70 mW，工作方式為三極管射極跟隨輸出方式。光電接收管的輸出飽和電流為0．4 mA，CE極的飽和電壓為0．4V，紅外檢測電路見圖2。
2．2 光強信號采集與調理
光電傳感器在0～50 000 lux范圍的照度下產(chǎn)生O～412 mV的電壓，而單片機的A／D輸入電壓范圍為O～3．3V，因此系統(tǒng)采用LM324對信號進行放大調理，其放大電路見圖3。為實現(xiàn)將0～412 mV的電壓放大到O～3．3V的范圍，設計放大倍數(shù)為8，放大倍數(shù)由式(1)確定：
Av=1+R24／R23 (1)
確定R23選擇10 kΩ電阻，R24選擇80 kΩ電阻。LM324由四個獨立的運放組成，為了提高采集光強的準確度，分別用兩個光電傳感采集CCFL光強，兩個采集環(huán)境光強，對這四路分別放大后直接輸入到C8051F350的高精度AD轉換通道0～3進行A／D化處理。
2．3 主控部分
主控芯片采用了美國Silicon Laboratories公司的混合信號ISP FLAsH微控制器C8051F350，其內部有一個全差分24位高精度Sigma-Delta模／數(shù)轉換器(ADC)，該ADC具有片內校準功能，保證了觀片儀亮度的高精度動態(tài)調節(jié)。為實現(xiàn)其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用模擬和數(shù)字分開供電，減少了數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾。C8051F350主要控制觀片儀的自動開關、光信號的A／D轉換與處理、控制信號的輸出、RS 232串口通信。
編碼器技術是風能獲取的關鍵
旋轉編碼器在風能產(chǎn)業(yè)中起著非常重要的作用，它提供了使用當前渦輪機中非常動態(tài)靈活的控制系統(tǒng)所必不可少的高分辨率反饋。選擇合適的編碼器將能夠極大地增強系統(tǒng)以最佳功率輸出運行的能力，并使投資的回報最大化。
美國Lawrence Berkeley國家實驗室的數(shù)據(jù)表明，在2008年，美國風能產(chǎn)量激增了51%，新增容量達8545MW，新增投資超過160億美元。新建離網(wǎng)型渦輪機7800臺、并網(wǎng)型渦輪機1292臺。每臺渦輪機的平均產(chǎn)能大約是1.7MW。風能產(chǎn)能比2007年增加了約46%。
風力渦輪機的剖面圖展示了一種常用的控制系統(tǒng)，如圖1所示。這類系統(tǒng)通常使用5個編碼器，它提供反饋，以維持發(fā)電機在不同的風力條件和不同的負載需求下的性能。
圖1 風力渦輪機控制系統(tǒng)中使用了多達5個編碼器
● 隨著風力條件的變化，葉片距控制系統(tǒng)維持著轉子的速度。
● 偏航控制系統(tǒng)（方位）根據(jù)風向來控制整個發(fā)電機的旋轉。
● 發(fā)電機速度是通過跟蹤發(fā)電機軸的每分鐘轉速（rpm）來進行監(jiān)控的。
風力渦輪機中常用的3種類型的旋轉編碼器是增量型、絕對型和混合型，其中每種技術都各有利弊。下面的概述將幫助引導設計工程師找出對應系統(tǒng)各個部分的最佳編碼器。
增量型編碼器
增量型旋轉編碼器是單匝設備，在軸的每一周旋轉中都產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖。這種反饋類型的一個優(yōu)點是它能夠實時響應軸轉速的變化，因此非常適用于跟蹤渦輪發(fā)電機的每分鐘轉速（rpm）。此外，它還具有應用范圍廣以及成本比其他類型更低的優(yōu)點。
增量型編碼器可以用于控制葉片距和偏航角的變化，但是它無法保存位置數(shù)據(jù)。驗證和跟蹤葉片及發(fā)動機的相對位置將需要在控制系統(tǒng)設計中增加來自接近開關或霍爾效應傳感器的額外輸入當作參考點。
絕對型編碼器
絕對型旋轉編碼器有單匝或多匝型，它是通過讀取光具盤或某種類型的磁力接收系統(tǒng)上的多個記錄來分辨軸向位置的。這種類型具有保存位置數(shù)據(jù)的能力，哪怕是控制系統(tǒng)斷電也可以。多匝型包括用于記錄軸轉動次數(shù)（精確到千位）的齒輪級，不再需要使用電池來保存位置信息。位置數(shù)據(jù)是直接讀取的，而不是以增量方式讀取，并且在上電后很快即可使用。
絕對型編碼器通過SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口來提供位置反饋數(shù)據(jù)。這些接口可能會限制反饋位置數(shù)據(jù)的傳送速率，所以它不是實時的。因此，絕對型編碼器不能夠用于跟蹤發(fā)電機速率。不過，這并不影響它被用于跟蹤變化較緩慢的發(fā)電機位置，也不影響被用于某些葉片距控制系統(tǒng)中。
混合型旋轉編碼器
混合型編碼器有單匝或多匝型，它本身提供了增量型和絕對型編碼器技術的優(yōu)點。這為用戶提供了替換2個編碼器的潛在可能性，可降低成本和占用空間。這種類型的編碼器提供脈沖或正弦/余弦波形，非常適用于葉片距控制系統(tǒng)，因為它提供了轉速高達6000rpm的電機所需要的實時反饋，同時還能夠在系統(tǒng)斷電時保存絕對的單匝或多匝位置數(shù)據(jù)。目前，有許多電機驅動已經(jīng)增加了標準輸入，以便接收正弦/余弦波形反饋。有時，客戶可以獲得更高的電機效率。
縱覽
并不是所有的旋轉編碼器都同等重要，當今的增量型、絕對型和混合型編碼器設計中所用到的光學和磁學技術在不斷改進以增加分辨率，溫度范圍和耐用性。光學編碼器設計利用Opto-ASIC等新技術進行了改進，第二或第三代設計提供了更高的分辨能力，更快的工作轉速，并改善了工作溫度范圍。此外，Opto-ASIC通過電場可調分辨率、輸出驅動類型（TTL或HTL）和標記物寬度，使得用戶能夠對編碼器進行編程。
金屬光具盤是另一個經(jīng)過改進的重要編碼器部件，它使得編碼器能夠工作在惡劣的環(huán)境中，并提供了更高的分辨率。過去，增量型和絕對型編碼器需要使用玻璃光具盤來實現(xiàn)更高的分辨率，但它降低了對震動和振動的抵抗能力。新出現(xiàn)的金屬光具盤將分辨率提升了6倍，無須使用電子乘法器，并具有更好的震動和振動性能。
許多新型編碼器設計都減小了外殼的尺寸。但是，如果設計和建造不能達到高質量標準，那么所有這些技術改進和體積縮減都沒什么價值。例如，軸承的質量，裝配方式以及軸承之間的距離都將極大影響編碼器的壽命。