FPGA在洗片機控制系統(tǒng)中的應用

 　　洗片機作為一種用于X射線透射膠片和CT膠片的顯影、定影、清洗和烘干的儀器，在當今各行業(yè)都有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的洗片機由于自動化程度不高，所以對操作人員有嚴格的技術(shù)要求，藥液日積月累也會對人體造成一定的傷害，并且社會的發(fā)展也對洗片機的精度提出了越來越高的要求，所以新型的高自動化，高精度的洗片機日益成為研究的重點。本文重點介紹了FPGA在這樣一種新型洗片機控制系統(tǒng)中的應用。

　　洗片機工作原理及實現(xiàn)方案

　　洗片過程主要由顯影、定影、沖洗和烘干四部分組成。膠片先后經(jīng)由滾軸傳送至顯影及定影箱的藥液中，然后再經(jīng)過沖洗槽由清水沖洗，最后烘干，整個洗片即完成。四個過程對顯影、定影溫度，膠片傳送速度均有嚴格的要求。

　　該控制系統(tǒng)主要由FPGA、A/D轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器，光電耦合器，PWM控制器等器件組成。系統(tǒng)上電以后，由PWM控制器來控制電機的轉(zhuǎn)動速度。電機轉(zhuǎn)軸上的碼盤帶有圓孔，兩端裝有光電耦合器。電機轉(zhuǎn)動以后，光電耦合器兩端就會生成一正弦波信號，信號經(jīng)過施密特反向觸發(fā)器后變?yōu)橐环讲?，振幅與正弦波相反。同時，溫度傳感器測量顯影箱與定影箱的實際溫度，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后系統(tǒng)將電機轉(zhuǎn)動的速度信號、顯影、定影的實際溫度信號和撥碼盤上的設定溫度信號經(jīng)過5v到3.3v的轉(zhuǎn)化后傳送到FPGA進行處理，從而生成系統(tǒng)需要的控制信號。本文重點介紹了FPGA在本系統(tǒng)中的應用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　3 FPGA在系統(tǒng)中的應用

　　3.1 FPGA的性能及特點

　　FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，是在CPLD的基礎上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件。它一般采用SRAM工藝，也有一些專用器件采用FLASH工藝或反熔絲(Anti-Fuse)工藝等。FPGA集成度很高，其器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到數(shù)千萬系統(tǒng)門不等，可以完成極其復雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設計領(lǐng)域。FPGA的基本組成部分有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專用硬核等。FPGA還支持多種單端I/O標準接口、系統(tǒng)所需的PCI標準接口、數(shù)據(jù)速率高達640Mbps的LVDS標準接口等，甚至一些高端產(chǎn)品可以通過DDR寄存器技術(shù)支持高達2Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。該器件還可以支持使用低價位的串行配置器件來對該系列器件進行配置;器件內(nèi)部含有鎖相環(huán)(PLL)，可以用做時鐘的倍頻、分頻以及移相等操作;內(nèi)部每個邏輯陣列塊(LAB)可與多個全局時鐘，用于系統(tǒng)的多時鐘驅(qū)動。FPGA的主要器件供應商有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Atmel等。

　　3.2FPGA的內(nèi)部模塊設計

　　FPGA內(nèi)部包含實際溫度的讀取、設定溫度的讀取、實際溫度的換算、實際溫度與設定溫度的比較及加溫控制、速度的測量、定時、十進制碼與LED顯示碼的轉(zhuǎn)換、串行口顯示等模塊。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

　　3.2.1 速度測量

　　速度測量功能由一個脈沖計數(shù)器模塊和一個定時器模塊實現(xiàn)。若電機轉(zhuǎn)速為r轉(zhuǎn)/分鐘，電機齒輪直徑A,與電機齒輪相連的傳動齒輪直徑為B，傳送膠片的滾軸直徑C,電機轉(zhuǎn)動時間為t，碼盤圓孔個數(shù)n，則膠片的傳動速度為v= πrABC/n。在本系統(tǒng)中，2.7毫秒內(nèi)測的的3位十進制數(shù)即為個位加兩小數(shù)位的膠片速度。例如，2.7毫秒內(nèi)測得脈沖個數(shù)為135，則膠片的行進速度為1.35米/分鐘。

　　3.2.2 溫度測量與控制

　　溫度的測量與控制包含顯影、定影兩路溫度，當A/D轉(zhuǎn)換器MC14433轉(zhuǎn)換周期完成以后，MC14433向FPGA發(fā)出一高電平脈沖信號。FPGA接收到此信號以后由溫度切換模塊進行顯影、定影溫度的切換;同時設定溫度讀取模塊開啟撥碼盤的移位掃描并讀取設定溫度值，而實際溫度初值讀取模塊開始讀取上一轉(zhuǎn)換周期的模數(shù)轉(zhuǎn)換初值，得到一個四位的十進制數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換初值再經(jīng)過一除法運算模塊即得到最終實際溫度值。(除數(shù)與MC14433的基準電壓相關(guān)，若MC14433基準電壓為xV，則除數(shù)n=2/x，本系統(tǒng)中基準電壓為0.5V，n=4。)然后由溫度比較與加溫控制模塊將設定溫度與實際溫度進行比較，若實際溫度小于設定溫度，則選擇此路溫度的加溫控制。

　　3.2.3 內(nèi)碼轉(zhuǎn)換與結(jié)果顯示

　　得到速度與實際溫度的數(shù)值后，結(jié)果在內(nèi)碼轉(zhuǎn)換模塊中轉(zhuǎn)化成LED字型碼，然后由顯示模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED面板上。顯示模塊是由一個移位寄存器構(gòu)成的串行通訊口,并且生成LED顯示所需的移位時鐘。

　　3.3 FPGA設計的仿真

　　圖3是FPGA設計在Quartus中的仿真結(jié)果波形圖。其中clk是10M有源晶振產(chǎn)生的系統(tǒng)全局時鐘，EOC是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換周期結(jié)束信號，S_IN是用作設定溫度的撥碼盤數(shù)值，SPEED為測速脈沖，MC14433_D是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的位選信號，MC14433_Q是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸出。圖中設定溫度小于實際溫度，所以溫度控制信號顯影(HEATUPXY)、定影(HEATUPDY)處于高電平加熱狀態(tài)。最終結(jié)果在移位脈沖的作用下通過串行口輸出，即為圖中的LED_DATA。

　　3.4 采用FPGA設計的優(yōu)勢

　　(1) 超小型化系統(tǒng)

　　因為 FPGA的可編程特性、內(nèi)部足夠的資源和布線空間，所以相對于傳統(tǒng)的“EPROM+計數(shù)器”的方法,本系統(tǒng)大幅度減少了硬件電路規(guī)?？?。

　　(2) 抗干擾性能強

　　所有的數(shù)據(jù)處理都在 FPGA內(nèi)部完成，信號受干擾的幾率小，再加上其獨特的抗干擾設計，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　(3)靈活性好 由于 FPGA的可編程特性，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展與升級，而且開發(fā)周期短，易于調(diào)試。

　　4 結(jié)論

　　由于洗片機在如今的航空、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等行業(yè)有著廣泛的應用，所以其性能緊密關(guān)系著市場的占有率。本系統(tǒng)采用了獨特的FPGA技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速處理。相對于傳統(tǒng)的洗片機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)大幅度提高了溫度測量與控制過程中的精度，其控制誤差已無限接近于傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器的綜合誤差。若采用采用高精度的溫度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的微小量測量與控制。本系統(tǒng)采用了價格低廉的LM355Z和MC14433作為溫度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了0℃"50℃范圍內(nèi)精度0.1℃的測量與控制。

　　本文作者創(chuàng)新點：實現(xiàn)了超小型系統(tǒng)規(guī)模，數(shù)據(jù)的高速處理處理，支持實時顯示，抗干擾能力強，可在惡劣環(huán)境下工作。 由于采用FPGA技術(shù)的諸多優(yōu)點，采用該系統(tǒng)的洗片機與市場上流行的洗片機相比，具有更強的競爭力。