0 引 言
    隨著電子計算機(jī)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)代化、智能化研究越來越受到人們的關(guān)注，大量的科學(xué)家及工程技術(shù)人員都積極地投入到這一場醫(yī)療設(shè)備的革命中，其中，對各種類型射線底片觀片設(shè)備的研究也是醫(yī)療設(shè)備開發(fā)的重點。由于傳統(tǒng)的觀片設(shè)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(xué)診斷的要求。利用CCFL開發(fā)的觀片儀具有結(jié)構(gòu)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(jī)作為主控芯片的全自動CCFL觀片儀亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化后，該系統(tǒng)能夠使觀片儀的背景照明光強(qiáng)與環(huán)境光強(qiáng)比值保持最佳，觀測者看到的射線底片內(nèi)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(qiáng)的比值最初可由觀測者根據(jù)自己的具體情況設(shè)定。該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)觀片儀的自動開關(guān)，插入射線底片后自動點亮觀片儀，當(dāng)系統(tǒng)閑置時，觀片儀會自動關(guān)閉進(jìn)入省電模式，延長了冷陰極燈管的使用壽命。

1 CCFL觀片儀調(diào)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(shù)(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(shè)備。采用CCFL背光照明技術(shù)，將線光源轉(zhuǎn)變?yōu)榱炼染鶆虻拿婀庠础CFL發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度。為實現(xiàn)環(huán)境光強(qiáng)變化后觀片儀能夠自動調(diào)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(qiáng)，由C8051F350對信號進(jìn)行A／D化，根據(jù)一定的算法處理后輸出CCFL控制的電壓，達(dá)到自動調(diào)光的目的。

2 硬件設(shè)計
    觀片儀控制系統(tǒng)主要由自動開關(guān)、調(diào)光控制、通信接口三部分構(gòu)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(guān)。單片機(jī)通過實時采集環(huán)境光強(qiáng)和背景照明光強(qiáng)，實現(xiàn)觀片儀亮度的動態(tài)調(diào)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(shè)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(guān)由紅外對射管傳感器實現(xiàn)。當(dāng)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(dāng)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(qiáng)信號采集與調(diào)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(jī)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(jìn)行放大調(diào)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(shè)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(qiáng)的準(zhǔn)確度，分別用兩個光電傳感采集CCFL光強(qiáng)，兩個采集環(huán)境光強(qiáng)，對這四路分別放大后直接輸入到C8051F350的高精度AD轉(zhuǎn)換通道0～3進(jìn)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(nèi)部有一個全差分24位高精度Sigma-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC具有片內(nèi)校準(zhǔn)功能，保證了觀片儀亮度的高精度動態(tài)調(diào)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(guān)、光信號的A／D轉(zhuǎn)換與處理、控制信號的輸出、RS 232串口通信。 

編碼器技術(shù)是風(fēng)能獲取的關(guān)鍵

旋轉(zhuǎn)編碼器在風(fēng)能產(chǎn)業(yè)中起著非常重要的作用，它提供了使用當(dāng)前渦輪機(jī)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(qiáng)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(fēng)能產(chǎn)量激增了51%，新增容量達(dá)8545MW，新增投資超過160億美元。新建離網(wǎng)型渦輪機(jī)7800臺、并網(wǎng)型渦輪機(jī)1292臺。每臺渦輪機(jī)的平均產(chǎn)能大約是1.7MW。風(fēng)能產(chǎn)能比2007年增加了約46%。

風(fēng)力渦輪機(jī)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(jī)在不同的風(fēng)力條件和不同的負(fù)載需求下的性能。

圖1 風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)中使用了多達(dá)5個編碼器

● 隨著風(fēng)力條件的變化，葉片距控制系統(tǒng)維持著轉(zhuǎn)子的速度。

● 偏航控制系統(tǒng)（方位）根據(jù)風(fēng)向來控制整個發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

● 發(fā)電機(jī)速度是通過跟蹤發(fā)電機(jī)軸的每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）來進(jìn)行監(jiān)控的。

風(fēng)力渦輪機(jī)中常用的3種類型的旋轉(zhuǎn)編碼器是增量型、絕對型和混合型，其中每種技術(shù)都各有利弊。下面的概述將幫助引導(dǎo)設(shè)計工程師找出對應(yīng)系統(tǒng)各個部分的最佳編碼器。

增量型編碼器
增量型旋轉(zhuǎn)編碼器是單匝設(shè)備，在軸的每一周旋轉(zhuǎn)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?qū)崟r響應(yīng)軸轉(zhuǎn)速的變化，因此非常適用于跟蹤渦輪發(fā)電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）。此外，它還具有應(yīng)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(jī)的相對位置將需要在控制系統(tǒng)設(shè)計中增加來自接近開關(guān)或霍爾效應(yīng)傳感器的額外輸入當(dāng)作參考點。

絕對型編碼器
絕對型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)速高達(dá)6000rpm的電機(jī)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(jī)驅(qū)動已經(jīng)增加了標(biāo)準(zhǔn)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(jī)效率。

縱覽
并不是所有的旋轉(zhuǎn)編碼器都同等重要，當(dāng)今的增量型、絕對型和混合型編碼器設(shè)計中所用到的光學(xué)和磁學(xué)技術(shù)在不斷改進(jìn)以增加分辨率，溫度范圍和耐用性。光學(xué)編碼器設(shè)計利用Opto-ASIC等新技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，第二或第三代設(shè)計提供了更高的分辨能力，更快的工作轉(zhuǎn)速，并改善了工作溫度范圍。此外，Opto-ASIC通過電場可調(diào)分辨率、輸出驅(qū)動類型（TTL或HTL）和標(biāo)記物寬度，使得用戶能夠?qū)幋a器進(jìn)行編程。

金屬光具盤是另一個經(jīng)過改進(jìn)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(shè)計都減小了外殼的尺寸。但是，如果設(shè)計和建造不能達(dá)到高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么所有這些技術(shù)改進(jìn)和體積縮減都沒什么價值。例如，軸承的質(zhì)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。