應用C8051F350的冷陰極熒光觀片儀調光系統設計

引 言

跨入21世紀以來，信息的世界變換迅速，說不定今天出了某高科技產品明天就會有更優秀的同類產品面世。其中電子計算機科學技術更新周期大概就是2到3年。隨著電子計算機等科學技術的發展，醫療設備的現代化、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療設備開發的重點。由于傳統的觀片設備亮度低、均勻性差、容易引起視疲勞等缺點，已經不能滿足現代化醫學診斷的要求。利用CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp）開發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、發光均勻等優點。醫療設備至關重要。擁有好的醫療設備，有些不能做的手術就能做了，能做的手術其成功概率也會大大提升。

本文我們介紹的是一種以C8051F350單片機作為主控芯片的全自動CCFL觀片儀亮度調節系統。當環境光強發生變化后，該系統能夠使觀片儀的背景照明光強與環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生視覺疲勞。觀片儀亮度與環境光強的比值最初可由觀測者根據自己的具體情況設定。該系統還可以實現觀片儀的自動開關，插入射線底片后自動點亮觀片儀，當系統閑置時，觀片儀會自動關閉進入省電模式，延長了冷陰極（是指無需把陰極加熱，而是利用電場的作用來控制界面的勢能變化，使陰極內的電子把勢能轉換為動能而向外發射。）燈管的使用壽命。與傳統的相比有很大的優勢。既保證了醫生觀片的準確，也保證了醫生本身的視覺疲勞問題。畢竟醫療方面的事情不容忽視，醫生的診斷結果關乎著許多人的生活，一點點的錯誤會帶給1個甚至幾個家庭帶來悲劇。

1 CCFL觀片儀調光原理

利用CCFL開發的觀片儀是一種由冷陰極高頻光源通過液晶背光技術（LCD）產生大面積的高亮度、均勻性好、噪聲低的環保節能設備。采用CCFL背光照明技術，將線光源轉變為亮度均勻的面光源。CCFL發光強度由DC／AC逆變器控制，通過改變逆變器控制電壓從而改變CCFL的發光強度。為實現環境光強變化后觀片儀能夠自動調節到最佳觀測亮度，利用光電傳感器動態采集環境光強，由C8051F350對信號進行A／D化，根據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。使醫療設備在工作時給出最適合當時環境的光且光的強度穩定。

2 C8051F35簡介

C8051F350是一款完全集成了單片復合信號系統的微控制器。C8051F350集成了24位8通道ADC和8位2通道DAC。C8051F350結合了高度精密的模擬數據轉換器和一個高吞吐量8051 CPU，是模擬和計算密集型應用的理想選擇。

C8051F350單片機主要特性：

（1）高速流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，最高50MIPS執行速度；

（2）全速非侵入式的系統調試接口（片內，C2接口）；

（3）24位1ksps的8通道單端/差分ADC，帶模擬多路器；

（4）2路8位電流型DAC；

（5）高精度可編程的24.5MHz內部震蕩器；

（6）8KB字節可在系統編程的FLASH存儲器；

（7）768（512+256）字節的片內RAM；

（8）硬件實現的SPI，SMBus/IIC和UART串行接口；

（9）4個通用的16位定時器；

（10）具有3個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列；

（11）片內上電復位，看門狗定時器，2個電壓比較器，VDD監視器和溫度傳感器；

（12）17個I/O端口；

（13）-40~85度工業級溫度范圍；

（14）2.7V~3.6V工作電壓，LQFP32封裝；　

3 硬件設計

觀片儀控制系統主要由自動開關、調光控制、通信接口三部分構成，系統框圖如圖1所示。系統以C8051F350為主控芯片，紅外對射管實現觀片儀的自動開關。單片機通過實時采集環境光強和背景照明光強，實現觀片儀亮度的動態調節。通信部分則采用RS 232接口方式，主要完成系統參數的設置以及固件程序的在系統升級（ISP）。

3.1 紅外對射管

觀片儀自動開關由紅外對射管傳感器實現。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；當系統閑置時，觀片儀則自動熄滅。由此可以更好地節約電能，從而達到低消耗的目的。相信與傳統的觀片儀相比會有很大的改觀。

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。

3.2 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，因此系統采用LM324對信號進行放大調理，其放大電路見圖3。為實現將0～412 mV的電壓放大到O～3.3V的范圍，設計放大倍數為8，放大倍數由式（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。

3.3 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調節。為實現其系統的穩定性和可靠性，采用模擬和數字分開供電，減少了數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。

3.4 控制信號放大

C8051F350內部有兩個8位電流方式數／模轉換器（IDAC），本系統選用IDACO，能實現O～255范圍的微調，保證了系統的精度要求。IDAC0的最大輸出電流可以有四種設置：O.25 mA，O.5 mA，1 mA和2 mA。設置IDAC0的滿量程輸出為0.5 mA，通過2kΩ電阻將電流轉化為電壓，電壓最大可達1V，再經過LM358將電壓放大到0～6V后輸出，從而實現CCFL的高精度調光設計，如圖4所示。

4 實驗數據及處理

本系統采用2.6×380型號的CCFL和L88亮度計，測量CCFL在O～6 V之間不同控制電壓下的亮度，實驗結果如表1所示，表中亮度為多次測量的平均值。為實現精確連續流暢的調光，避免傳統查表方式存在的精確度差占用存儲空間多的缺點，這里采用公式法計算輸出控制電壓。根據表1，利用最小二乘法求解方程ATAC=ATy，由Matlab數學軟件擬合出CCFL控制電壓與亮度的關系的表達式為：

U=-10.995 8+3.586 1B-0.233 6B2+O.004 3B3 （2）

式中：U為控制電壓值，B為對應的亮度值

5 軟件設計

在軟件設計方面主要包括上位機軟件和下位機程序。上位機軟件主要實現下位機最佳對比度等必要參數的設置，采用Visual C++6.0編寫。下位機固化程序主要包括觀片儀自動開關模塊程序、CCFL發光電壓控制模塊程序、RS 232通信模塊。采用模塊化設計方式，所有模塊采用中斷驅動方式，提高了系統的效率。

下位機程序主要配合硬件實現動態調光控制。調光控制程序實現動態調節CCFL光強，按照傳統的方式是將電壓與對應的亮度關系對照表下載到下位機中，調光時通過查表找出最接近的值。本系統調光根據控制電壓和亮度的函數關系通過計算獲得控制電壓，節省了下位機的存儲空間，同時提高了調光的速度并保證了CCFL發光強度變化的連續性。調光控制的具體實現由C8051F350自帶A／D對當前采集的背景照明光強和環境光強進行模數轉化，背景照明和環境光強的比值與設定置值進行比較，如果大于設定值則說明環境光變暗，此時需要將CCFL調暗到一定亮度，如果小于設定值則說明環境光變強，則需要提高CCFL的發光強度。CCFL的控制電壓可由式（2）計算得出，C8051F350將控制信號輸出調節觀片儀背景照明光強。

6 結 語

本文提出一種基于單片機C8051F350的冷陰極熒光燈（CCFL）觀片儀的全自動調光系統，當環境光強發生變化后自動調節觀片儀背景照明光源的亮度，使觀片儀亮度與環境光強比值達到最佳，系統閑置時，自動進入節能狀態，大大提高了觀片儀的使用壽命。由實驗可驗證控制系統能夠實現觀片儀的自動開關，同時能有效地保證當環境光強發生變化后觀片儀亮度自動調節，并使得背景照明光強與環境光強的比值達到最佳。實驗表明該系統很好地實現了觀片儀亮度動態調節，具有功耗低、穩定性好等特點。