应用C8051F350的冷阴极荧光观片仪调光系统设计

引 言

跨入21世纪以来，信息的世界变换迅速，说不定今天出了某高科技产品明天就会有更优秀的同类产品面世。其中电子计算机科学技术更新周期大概就是2到3年。随着电子计算机等科学技术的发展，医疗设备的现代化、智能化研究越来越受到人们的关注，大量的科学家及工程技术人员都积极地投入到这一场医疗设备的革命中，其中，对各种类型射线底片观片设备的研究也是医疗设备开发的重点。由于传统的观片设备亮度低、均匀性差、容易引起视疲劳等缺点，已经不能满足现代化医学诊断的要求。利用CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp）开发的观片仪具有结构简单、灯管表面温升小、灯管表面亮度高、使用寿命长、显色性好、发光均匀等优点。医疗设备至关重要。拥有好的医疗设备，有些不能做的手术就能做了，能做的手术其成功概率也会大大提升。

本文我们介绍的是一种以C8051F350单片机作为主控芯片的全自动CCFL观片仪亮度调节系统。当环境光强发生变化后，该系统能够使观片仪的背景照明光强与环境光强比值保持最佳，观测者看到的射线底片内容最为清晰而且不容易产生视觉疲劳。观片仪亮度与环境光强的比值最初可由观测者根据自己的具体情况设定。该系统还可以实现观片仪的自动开关，插入射线底片后自动点亮观片仪，当系统闲置时，观片仪会自动关闭进入省电模式，延长了冷阴极（是指无需把阴极加热，而是利用电场的作用来控制界面的势能变化，使阴极内的电子把势能转换为动能而向外发射。）灯管的使用寿命。与传统的相比有很大的优势。既保证了医生观片的准确，也保证了医生本身的视觉疲劳问题。毕竟医疗方面的事情不容忽视，医生的诊断结果关乎着许多人的生活，一点点的错误会带给1个甚至几个家庭带来悲剧。

1 CCFL观片仪调光原理

利用CCFL开发的观片仪是一种由冷阴极高频光源通过液晶背光技术（LCD）产生大面积的高亮度、均匀性好、噪声低的环保节能设备。采用CCFL背光照明技术，将线光源转变为亮度均匀的面光源。CCFL发光强度由DC／AC逆变器控制，通过改变逆变器控制电压从而改变CCFL的发光强度。为实现环境光强变化后观片仪能够自动调节到最佳观测亮度，利用光电传感器动态采集环境光强，由C8051F350对信号进行A／D化，根据一定的算法处理后输出CCFL控制的电压，达到自动调光的目的。使医疗设备在工作时给出最适合当时环境的光且光的强度稳定。

2 C8051F35简介

C8051F350是一款完全集成了单片复合信号系统的微控制器。C8051F350集成了24位8通道ADC和8位2通道DAC。C8051F350结合了高度精密的模拟数据转换器和一个高吞吐量8051 CPU，是模拟和计算密集型应用的理想选择。

C8051F350单片机主要特性：

（1）高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，最高50MIPS执行速度；

（2）全速非侵入式的系统调试接口（片内，C2接口）；

（3）24位1ksps的8通道单端/差分ADC，带模拟多路器；

（4）2路8位电流型DAC；

（5）高精度可编程的24.5MHz内部震荡器；

（6）8KB字节可在系统编程的FLASH存储器；

（7）768（512+256）字节的片内RAM；

（8）硬件实现的SPI，SMBus/IIC和UART串行接口；

（9）4个通用的16位定时器；

（10）具有3个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

（11）片内上电复位，看门狗定时器，2个电压比较器，VDD监视器和温度传感器；

（12）17个I/O端口；

（13）-40~85度工业级温度范围；

（14）2.7V~3.6V工作电压，LQFP32封装；　

3 硬件设计

观片仪控制系统主要由自动开关、调光控制、通信接口三部分构成，系统框图如图1所示。系统以C8051F350为主控芯片，红外对射管实现观片仪的自动开关。单片机通过实时采集环境光强和背景照明光强，实现观片仪亮度的动态调节。通信部分则采用RS 232接口方式，主要完成系统参数的设置以及固件程序的在系统升级（ISP）。

3.1 红外对射管

观片仪自动开关由红外对射管传感器实现。当红外对射管之间插入射线底片后，红外接收管则输出信号，程序检测到该信号从而打开CCFL；当系统闲置时，观片仪则自动熄灭。由此可以更好地节约电能，从而达到低消耗的目的。相信与传统的观片仪相比会有很大的改观。

红外对射管选择霍尼韦尔公司的SEP8505-002，其工作波长为935nm，材料为GaAs（砷化镓），发光功率为7.8mW／cm（流明），光谱宽度为80 nm，正向压降为1.5V，输出电流为20 mA。与其配对的红外接收管为SDP8405—002，功率为70 mW，工作方式为三极管射极跟随输出方式。光电接收管的输出饱和电流为0.4 mA，CE极的饱和电压为0.4V，红外检测电路见图2。

3.2 光强信号采集与调理

光电传感器在0～50 000 lux范围的照度下产生O～412 mV的电压，而单片机的A／D输入电压范围为O～3.3V，因此系统采用LM324对信号进行放大调理，其放大电路见图3。为实现将0～412 mV的电压放大到O～3.3V的范围，设计放大倍数为8，放大倍数由式（1）确定：

Av=1+R24／R23 （1）

确定R23选择10 kΩ电阻，R24选择80 kΩ电阻。LM324由四个独立的运放组成，为了提高采集光强的准确度，分别用两个光电传感采集CCFL光强，两个采集环境光强，对这四路分别放大后直接输入到C8051F350的高精度AD转换通道0～3进行A／D化处理。

3.3 主控部分

主控芯片采用了美国Silicon Laboratories公司的混合信号ISP FLAsH微控制器C8051F350，其内部有一个全差分24位高精度Sigma-Delta模／数转换器（ADC），该ADC具有片内校准功能，保证了观片仪亮度的高精度动态调节。为实现其系统的稳定性和可靠性，采用模拟和数字分开供电，减少了数字信号和模拟信号之间的干扰。C8051F350主要控制观片仪的自动开关、光信号的A／D转换与处理、控制信号的输出、RS 232串口通信。

3.4 控制信号放大

C8051F350内部有两个8位电流方式数／模转换器（IDAC），本系统选用IDACO，能实现O～255范围的微调，保证了系统的精度要求。IDAC0的最大输出电流可以有四种设置：O.25 mA，O.5 mA，1 mA和2 mA。设置IDAC0的满量程输出为0.5 mA，通过2kΩ电阻将电流转化为电压，电压最大可达1V，再经过LM358将电压放大到0～6V后输出，从而实现CCFL的高精度调光设计，如图4所示。

4 实验数据及处理

本系统采用2.6×380型号的CCFL和L88亮度计，测量CCFL在O～6 V之间不同控制电压下的亮度，实验结果如表1所示，表中亮度为多次测量的平均值。为实现精确连续流畅的调光，避免传统查表方式存在的精确度差占用存储空间多的缺点，这里采用公式法计算输出控制电压。根据表1，利用最小二乘法求解方程ATAC=ATy，由Matlab数学软件拟合出CCFL控制电压与亮度的关系的表达式为：

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

式中：U为控制电压值，B为对应的亮度值

5 软件设计

在软件设计方面主要包括上位机软件和下位机程序。上位机软件主要实现下位机最佳对比度等必要参数的设置，采用Visual C++6.0编写。下位机固化程序主要包括观片仪自动开关模块程序、CCFL发光电压控制模块程序、RS 232通信模块。采用模块化设计方式，所有模块采用中断驱动方式，提高了系统的效率。

下位机程序主要配合硬件实现动态调光控制。调光控制程序实现动态调节CCFL光强，按照传统的方式是将电压与对应的亮度关系对照表下载到下位机中，调光时通过查表找出最接近的值。本系统调光根据控制电压和亮度的函数关系通过计算获得控制电压，节省了下位机的存储空间，同时提高了调光的速度并保证了CCFL发光强度变化的连续性。调光控制的具体实现由C8051F350自带A／D对当前采集的背景照明光强和环境光强进行模数转化，背景照明和环境光强的比值与设定置值进行比较，如果大于设定值则说明环境光变暗，此时需要将CCFL调暗到一定亮度，如果小于设定值则说明环境光变强，则需要提高CCFL的发光强度。CCFL的控制电压可由式（2）计算得出，C8051F350将控制信号输出调节观片仪背景照明光强。

6 结 语

本文提出一种基于单片机C8051F350的冷阴极荧光灯（CCFL）观片仪的全自动调光系统，当环境光强发生变化后自动调节观片仪背景照明光源的亮度，使观片仪亮度与环境光强比值达到最佳，系统闲置时，自动进入节能状态，大大提高了观片仪的使用寿命。由实验可验证控制系统能够实现观片仪的自动开关，同时能有效地保证当环境光强发生变化后观片仪亮度自动调节，并使得背景照明光强与环境光强的比值达到最佳。实验表明该系统很好地实现了观片仪亮度动态调节，具有功耗低、稳定性好等特点。