左心室转子多路测试与控制系统

夏 甜 ，蔡玉文，周建萍，杨 云 ，刘晓军

（中南民族大学 生 物医学工程学院，湖北 武 汉430074）

电涡流位移传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。可以看出电涡流传感器系统在生物医学方面是一篇空白，而二十一世纪，健康显得尤为重要，在这样的前提下，我们把目光投向了生物医学工程方面。

此次选题是希望通过电涡流传感器来对被物体的位置进行精确的测量和监控，将其推广到医学领域，精确快速测量人工心脏心室微小变化，对人工心脏进一步研究起到了促进作用，具有很深远的意义。

同时此次研究的内容与本专业很相关，可以将所学的理论知识应用于实践，学以致用，提高自身的科学素养。

1 系统总体结构设计

左心室转子位移多路测试系统是一种由4个部分构成的系统，包括电涡流传感器多路数据采集，A/D转换，DSP控制器，12864液晶显示.主要是通过电涡流传感器采集信号，利用A/D转换器采集人工心脏泵转子位移信号，再通过PID设计实现对系统的控制，将多路采集的数据在12864液晶显示屏上直观的显示出来。

设计方案如图1所示。

图1 左心室转子位移多路测试系统Fig.1 Multi-channel test system of left ventricular rotor displacement

2 转子位移检测

转子的位移实时检测是使用电涡流位移传感器；电涡流位移传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离；能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流位移传感器工作过程为当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压变化，最终完成机械位移转换成电压。

3 电压AD转换

传感器测到的电压要经过AD转换成数字信号才能进行后处理。而本文采用的是DSPF2812[1]内部的自带的16路的12位分辨率、具有流水线结构的AD，这样可以减少成本和PCB布线，其结构框图如图2所示。

图2 电压AD转换Fig.2 ADC of voltage

为了保险起见，在输入的电压进DSP[2]的AD口时，加入一个如图3的钳位电路[3]。当输入的电压超过3.3 V时，二极管D1导通，ADC输入引脚上的电压为3.3 V；当输入电压为负值时，二极管D2导通，ADC输入引脚的电压为0；这样就能是ADC输入引脚上的电压稳定在0～3.3 V，从而保护ADC输入的端口。

图3 钳位电路Fig.3 Circuit of clamping diode

4 PID控制算法与LCD显示

图4 PID闭环控制系统Fig.4 Closed loop control system of PID

本控制系统采用PID位置式控制算法[5]，其流程图如图5所示。

图5 PID位置式控制算法Fig.5 Position type PID control algorithm

5 控制量DA输出与功率放大

PID[6]控制算法计算出来的数值通过DA输出来控制功率管来驱动转子转动。为了实现多路DA，则采用带有SPI接口的12位4路DA输出芯片max5253，只要使用3片芯片就能实现10路DA的输出。为了提高DA的驱动能力，则在后加上甲乙类功率放大。

6 实验结果

1）单个传感器测量转子径向位移示意图如图6所示。

图6 单个传感器测量转子径向位移示意图Fig.6 Diagram of a single sensor rotor radial displacement

2）功率放大器的仿真如图7所示。

3）单个传感器测量数据如表1～3所示。

表1 转速为0rad/min时所测电压值Tab.1 Speed of 0 rad/min when the measured voltage value

表2 转速为300rad/min时所测电压值Tab.2 Speed of 300 rad/min when the measured voltage value

表3 转速为800rad/min时所测电压值Tab.3 Speed of 800 rad/min when the measured voltage value

4）单个传感器测量数据分析如表4所示。

5）不同通道数据采样的处理如图8所示。

图8 Matlab处理结果Fig.8 Processing results of Matlab

表4 单个传感器测量数据分析Tab.4 Data analysis of asingle sensor measurement

7 结 论

文中说明了用电涡流传感器能很好的应用在医疗领域。提出的方案能基本实现左心室转子的控制与测试，能从10个不同的方向监测转子在运动时的位移改变检测和实时的控制。能精确快速测量人工心脏心室微小变化，对人工心脏进一步研究起到了促进作用，具有很深远的意义。但是还有着需要改进的地方，在PID控制算法时，可以采用更加先进的控制算法，在功率驱动时采用PWM来提高系统的功率。

[1]牛小兵，许爱德，王丹.DSP控制器实用教程[M].北京:国防工业出版社，2007.

[2]张小鸣.DSP控制原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2009.

[3]蒋立平.模拟电路与数字电路[M].北京:电子工业出版社，2004.

[4]黄友锐，曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京：海淀区，科学出版社，2010.

[5]LI Jun，LI Yun-tang.Dynamic analysis and PID control for a quadrotor[J].International Conference on Mechatronics and Automation，2011:573-578.

[6]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京：电子工业出版社，2013.