基于STM32F429xxx微处理器的X射线机控制系统设计

余炎雄 林伟鹏 赵少武 汕头市超声仪器研究所股份有限公司 （广东 汕头 515041）

内容提要： 文章介绍了基于STM32F429xxx系列芯片的X射线控制系统设计。该系统功耗低，体积小，适应现代X射线机小型化的需求，并且具备丰富的通用接口、控制精度高等特点；通过验证试验表明，系统输出X射线符合国家标准要求，射线机输出精度高，满足多种应用场景需求，具有较高的实用性。

X射线机是一种能够产生X射线的设备，在医学诊断上可以用作透视、摄影检查。具有无痛苦、使用方法简单，直观，显示图像清晰，对人体骨骼鉴别力强，灵活以及价廉等优点，在临床诊断中得到广泛应用。X射线产生的基本原理是在X射线管的阴极加载一个低压电源，给X射线阴极灯丝加热，灯丝周围会产生游离的电子；在X射线管的阴极和阳极之间加一个数十千伏以上的高压电源，由于球管是真空环境，灯丝周围的游离电子就会高速从阴极向阳极移动；在阳极有一个靶，当高速移动的电子撞击在靶上，此时就会产生X射线[1]。X射线产生原理如图1所示。

图1.X射线产生原理示意图

本设计利用意法半导体（ST）公司的STM32F429xxx系列的处理器为主芯片构建便携式X射线机的控制系统，实现X射线机曝光管电压，管电流的闭环控制，并在规定范围内连续可调，满足实际的应用。

1.系统方案介绍

本系统是基于STM32F429xxx系列的处理器的X射线机控制平台，实现了X射线产生，并且能够满足X射线参数的调节功能，包括管电压、管电流、曝光时间等参数连续可调。系统方案框图见图2，主要包括MCU系统控制单元、管电压控制单元、管电流控制单元。以STM32F429xxx系列的处理器为控制中心，根据用户设定的X射线曝光参数，产生管电压控制信号，管电流控制信号，驱动对应的模块，通过管电压，管电流的反馈电路，处理反馈对应的反馈信号，采用处理器自带的高精度ADC采样功能，调节X射线输出参数，达到用户需求。

图2.系统方案框图

1.1 MCU系统控制单元

STM32F429xxx系列处理器是基于ARM®Cortex内核的32位微控制器处理器，其内核自带有FPU浮点数处理器，可以满足X射线机上各类控制运算，提高数据处理的精度。具有高达2MB Flash，可读写同步，高达256+4KB的SRAM，包括64-KB的CCM（内核耦合存储器）数据RAM，具有高达32位数据总线的灵活外部存储控制器：SRAM、PSRAM、SDRAM/LPSDR、SDRAM、CompactFlash/NOR/NAND存储控制器；多达17个高精度定时器，支持LCD并行接口，LCD-TFT控制器有高达XGA的分辨率。具有3个12位、2.4MSPSADC；2个12位D/A转换器。同时有丰富的外部通信接口[2]。目前已广泛应用于医用和工业控制领域。本设计通过合理分配和利用STM32F429xxx系列处理器的各种功能和接口，实现了各项X射线机控制系统所需的数据处理、控制逻辑、通用接口等各项需求。

系统控制部分的人机交互控制部分，可以采用传统的按键和LED数码管显示，或者采用触摸屏和LCD液晶显示的交互方式。同时可以具备USB接口、网络接口、通信接口等的响应控制。

系统控制部分的流程图如图3所示。在待机时系统检测整机总供电电压，各分支电路供电电压是否存在异常，整机关键部件如高压发生整流模块、微处理器内部是否存在过温异常，若有上述异常则禁止用户进行曝光操作。用户通过人机交互模块，设定曝光参数，系统根据设定参数转为对应的控制信号及参数，并将参数输出到管电压，管电流控制模块，同时系统启动曝光时间控制流程，设定曝光时间，在用户启动曝光后，进入曝光控制流程，过程中系统实时监控X射线产生回路反馈信号是否存在异常、用户是否提前中断曝光等，如有上述异常则终止曝光，同时，将检测到的异常信息显示到人机交互界面上，否则在设定曝光时间后停止曝光。异常信息包括曝光管电压异常，曝光管电流异常，高压发生器过热，曝光过程中人为中断等。由于该系统属于微处理器控制，在受到外界强磁场干扰或者其他特殊环境下，微处理器的程序可能出现不按顺序执行的情况，导致整个控制系统失常，所以系统额外增加一路纯硬件的控制保护电路，限定系统曝光的最长时间，当系统曝光达到最长的曝光时间限定值，保护电路将直接启动终止曝光，避免用户和患者受到过量的X射线照射。

图3.系统控制部分的流程图

1.2 管电压控制单元

高压电路即是在X射线管的阴极和阳极之间加一个数十千伏以上的高压电源电路，它主要包含的整流方式一般有单相、三相、和高频，它们产生的纹波有所区别，如图4所示[3]。

图4.整流的方式的输出纹波示意图

随着技术的发展，单相和三相整流方式基本被淘汰，目前便携式产品一般都采用高频整流模式，高频逆变是高频整流产生高压电源的重要环节，高频逆变不仅可以提高电源的效率，减小电路体积，而且可以得到更加稳定的高压电源。高频逆变的控制方式一般分为移相调压法和脉宽调制法（Pulse-Width Modulation，PWM）。STM32F429xxx系列处理器的GPIO口具有PWM输出功能，通过设置处理器内部寄存器的各项设置可以实现脉宽调节功能，从而实现X射线管电压高压电源的产生和调节功能[4]。管电压控制单元的原理图如图5所示。

图5.管电压控制单元的原理图

管电压控制单元主要包括处理器，管电压驱动模块，高频逆变模块，高压发生整流模块，管电压取样反馈，反馈信号处理。系统根据用户设定的管电压参数，系统处理后转化为对应的PWM波形输出到管电压驱动模块，驱动模块控制高频逆变板模块功率器件的导通与关闭实现高频逆变，输出高频的电压信号到高压发生整流模块。高压发生整流模块产生X射线管需要的直流高压信号驱动X射线管。管电压取样模块对X射线管两端高压进行采样，经过反馈信号处理模块滤波调整后，STM32F429xxx处理器通过自带的ADC采样对反馈的管电压信号进行采样，通过特定的PID算法来闭环反馈控制PWM输出波形。

实际应用中曝光持续时间一般为数百毫秒，甚至数十毫秒，因而对系统的反馈的控制要求较高，尤其是在管电压上升阶段，管电压出现过冲会影响X射线的检测结果和实际拍片的图像效果，PID算法中，当检测到偏差后要迅速反映减少偏差，比例增益Kp适当提高，但不能太大，太大的结果会产生振荡；积分系数Ki，主要是消除静态误差，在一定的积分周期后，可以完全消除静态误差；微分系数Kd能够反映偏差信号的变化趋势，在反馈系统控制中引入一个有效的早期修正，加快系统的响应速度。

1.3 管电流控制单元

X射线机管电流是通过加热X射线管阴极的灯丝产生游离电子，根据X射线管的规格差异，一般的加热供电电压为5～15V，电流在10A以下，由于X射线阴极有负高压的存在，所以一般需要采用隔离装置。X射线管规格书提供X射线管阴极灯丝加热电气性能特性和对应输出管电流对应关系，常规设计需要根据性能关系表制定管电流控制参数。

本设计管电流控制单元的原理图如图6所示。管电流控制单元的原理与传统的形式不同，采用闭环控制的方式，主要包括处理器管电流驱动，管电流前级驱动电路，高压隔离装置，管电流后级驱动电路，到X射线阴极对灯丝进行加热，在X射线管曝光过程，管电流通过取样反馈电路处理后，处理器同样采用ADC采样功能进行管电流采样，然后反馈控制管电流的驱动输出，达到有效稳定控制管电流的目的。

图6.管电流控制单元的原理图

2.仪器实际成像效果和验证结果

本研究应用STM32F429xxx微处理器搭建系统控制平台，开发了一款便携式医用X射线仪器。产品实物图见图7。该仪器采用电池供电，每次充满电可以曝光200～300次（视曝光条件）；具有无线连接功能，可以实现WiFi无线连接；可以通过USB接口进行软件升级和系统数据导入导出；系统具有多重安全保护和整机自诊断功能，提供详细的故障代码，方便故障检测；该仪器能够输出管电压40～100kV，电流时间积0.4～20mAs，基本可以覆盖人体所有部位的X射线检测，而且配备7.0寸TFT液晶屏及触摸屏，分辨率640×480；操作简单，界面直观，简单易懂。

图7.射线机实物图

X射线机控制系统采用双闭环控制，即管电压闭环控制，管电流闭环控制，其中管电压闭环控制有利于X射线输出精准控制。目前，国标要求管电压输出误差≤10%，经管电压闭环控制后可以提升到3%～5%，管电压输出更加稳定，相关设计已获得发明专利[5]。对于管电流输出误差国标要求其输出误差不超过20%，采用管电流闭环控制，输出精度可达到5%，除了精度提升外，管电流闭环控制可以有效解决X射线管阴极灯丝随时间推移出现老化，管电流直流性能曲线出现偏移，需要重新校准灯丝值的问题，避免了传统射线机产品需要定期校准管电流的维护工作，相关设计已获得发明专利[6]。

2.1 成像效果

使用该仪器对人体体模RS-III胸片采样，工作站可以接收到清晰的图像，如图8所示。可以清楚看到体模内部肋骨、脊椎等骨骼，达到医学临床应用需求。

图8.体模胸片拍摄效果

2.2 实际管电压检测

采样X射线质量专业检测设备比拉那（Piranha），对该研制仪器进行检测，实际输出管电压、曝光时间可以满足国标对医用X射线机的要求，并且输出稳定，表1是实测部分数据，管电压70～100kV，误差可以达到3%以内，曝光时间误差可以到达1%以内；图9所示为仪器设定70kV、曝光时间250ms，Piranha检测实际输出；图10所示为仪器设定100kV、曝光时间125ms，Piranha检测实际输出。

表1.实测数据表

图9.PiranhaX射线质量检测结果

图10.PiranhaX射线质量检测结果

3.小结

本设计方案使用意法半导体（ST）公司的STM32429xxx微处理器芯片作为主控芯片，配套周边器件及射线产生和控制电路构建便携式医用X射线仪器，控制系统采用管电压、管电流双闭环控制，有效提升了管电压，管电流的输出精度；X射线机结构紧凑，体积小，重量轻，方便各类使用者操作仪器；配套7寸触摸屏方便用户使用操作，可用于常规医疗X射线影像摄影，灾区抢救，野外急救，120急救，家庭医疗，动物医学等领域。