專(zhuān)利名稱(chēng)：一種梯度放大器控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及梯度放大器控制領(lǐng)域，更具體地說(shuō)涉及一種應(yīng)用于核磁共振成像系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)式數(shù)字化梯度放大器控制裝置。
背景技術(shù)：
核磁共振成像被認(rèn)為是二十世紀(jì)醫(yī)學(xué)診斷最重要的進(jìn)展之一。作為一種新興的臨床醫(yī)療診斷手段，由于其成像分辨率高、對(duì)比度好，并且具有無(wú)電離輻射、無(wú)損傷、可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)成像及任意方位截面成像等優(yōu)點(diǎn)，核磁共振成像越來(lái)越顯示出廣闊的發(fā)展前景。梯度子系統(tǒng)是核磁共振成像設(shè)備的一個(gè)重要子系統(tǒng)，由梯度線圈、梯度控制器、梯度電源、梯度放大器等組成。梯度系統(tǒng)主要通過(guò)梯度放大器的工作來(lái)滿足核磁共振成像系 統(tǒng)的要求，它為梯度線圈提供驅(qū)動(dòng)電流，將譜儀所產(chǎn)生的具有一定時(shí)序的與X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的梯度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的脈沖序列信號(hào)，進(jìn)行放大以在空間中產(chǎn)生相應(yīng)的梯度磁場(chǎng)。大電流輸出、高電流變化率、低穩(wěn)態(tài)電流波動(dòng)以及良好的波形跟蹤能力是梯度放大器的主要設(shè)計(jì)要求。梯度放大器有兩種類(lèi)型線性放大器和開(kāi)關(guān)模式放大器。開(kāi)關(guān)模式的梯度放大器考慮梯度線圈的負(fù)載特性是感抗占主要成分，進(jìn)行有針對(duì)性設(shè)計(jì)，使其能效較高。而且，它可以通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)等組合配置來(lái)提供更大的梯度脈沖輸出功率。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)模式梯度放大器已經(jīng)基本取代了線性功率放大器。典型的開(kāi)關(guān)式梯度放大器的工作原理如圖I所示。它由功率模塊(102)和控制模塊(101)兩部分構(gòu)成。功率模塊由大功率開(kāi)關(guān)器件如MOSFET或IGBT以H橋、多級(jí)H橋等拓?fù)湫问綐?gòu)成，其輸出端設(shè)置的濾波器用以濾除由于開(kāi)關(guān)器件的周期性導(dǎo)通和截止而產(chǎn)生的高頻諧波?？刂颇K一方面接收譜儀送來(lái)的電流控制信號(hào)，另一方面實(shí)時(shí)采集各傳感器送來(lái)的輸出電流、電壓以及其它狀態(tài)信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)經(jīng)特定控制算法計(jì)算出功率模塊中各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止的時(shí)刻及時(shí)長(zhǎng)，并以PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的形式輸出到功率模塊，來(lái)控制功率模塊中各個(gè)大功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止，以達(dá)到控制輸出電流的目的。目前對(duì)于梯度放大器的設(shè)計(jì)大都是整體進(jìn)行的，未把控制模塊作為一個(gè)通用的組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣做存在如下問(wèn)題
首先，隨著核磁共振成像系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)梯度子系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，為滿足這種發(fā)展需求，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊不斷被提出。另一方面，電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步也促使功率模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。這種功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的趨勢(shì)在將來(lái)還會(huì)繼續(xù)延續(xù)。對(duì)于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊，其控制模塊要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信號(hào)種類(lèi)及數(shù)量也會(huì)不同。目前對(duì)每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊往往都要進(jìn)行相應(yīng)的控制模塊的設(shè)計(jì)，這不僅大大延長(zhǎng)了梯度功率放大器的研發(fā)周期，而且增加了其研發(fā)成本。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)引入控制領(lǐng)域，數(shù)字化控制技術(shù)脫穎而出，控制模塊的數(shù)字化使人們可以將一些先進(jìn)的控制算法應(yīng)用于梯度放大器的控制中，來(lái)改善梯度系統(tǒng)的性能。因此梯度放大器控制模塊的數(shù)字化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的控制算法也不斷涌現(xiàn)。對(duì)于不同的控制算法，即使功率模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，其要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)變量也不盡相同。因此，以新的控制算法替代舊的算法進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，往往也要對(duì)控制模塊硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以滿足新的算法要求。這也會(huì)導(dǎo)致研發(fā)周期的增長(zhǎng)以及研發(fā)成本的增加。而且，目前的數(shù)字化梯度放大器控制模塊僅對(duì)控制偏差信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)(Α/D)轉(zhuǎn)換，未對(duì)電流控制信號(hào)和實(shí)際輸出電流信號(hào)分別進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，控制算法只能利用偏差信號(hào)進(jìn)行控制。這一方面大大限制了控制算法的靈活性；另一方面，在系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)，必須通過(guò)硬件調(diào)整控制輸入及電流反饋輸出的零點(diǎn)、放大倍數(shù)等參數(shù)，這使得系統(tǒng)安裝、調(diào)試不夠方便
發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通用的組件化的數(shù)字化梯度放大器控制裝置，它對(duì)于功率模塊的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及不同數(shù)字控制算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；能對(duì)輸入電流控制信號(hào)和實(shí)際輸出電流信號(hào)分別進(jìn)行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換，不僅能增強(qiáng)控制算法的靈活性，而且使系統(tǒng)的安裝調(diào)試以及升級(jí)更加方便快捷。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種梯度放大器控制裝置，其特征在于該控制裝置包括控制輸入調(diào)理模塊、反饋輸入調(diào)理模塊、監(jiān)視輸出調(diào)理模塊、高精度Α/D模塊、用戶接口模塊、FPGA數(shù)字邏輯模塊、溫度輸入調(diào)理模塊、通信接口模塊和數(shù)字信號(hào)處理控制模塊；所述的控制輸入調(diào)理模塊接收外部送來(lái)的差分電流控制信號(hào)IctlD+和IctlD-，輸出電流控制信號(hào)Ictll和Ictl3 ;所述的反饋輸入調(diào)理模塊，接收來(lái)自傳感器的狀態(tài)反饋信號(hào)橋臂電流信號(hào)Ibrg、主回路電流信號(hào)Imain和高壓信號(hào)HV，輸出調(diào)理后的狀態(tài)反饋信號(hào)Ibrgl、Imainl、Imain2、HV2和HVl ;所述的監(jiān)視輸出調(diào)理模塊接收電流控制信號(hào)Ictll、主回路電流信號(hào)Imainl和高壓信號(hào)HV1，輸出電流監(jiān)視信號(hào)Imonitor、電壓監(jiān)視信號(hào)Vmonitor、電流偏差信號(hào)Emonitor以及控制輸入監(jiān)視信號(hào)Ictlmonitor ;所述的高精度Α/D模塊，接收電流控制信號(hào)Ictl3、主回路電流信號(hào)Imain2和高壓信號(hào)HV2等高精度模擬信號(hào)以及來(lái)自FPGA數(shù)字邏輯模塊的數(shù)字控制信號(hào)，輸出高精度Α/D轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果；所述的用戶接口模塊接收來(lái)自操作人員的按鍵輸入信息及來(lái)自FPGA數(shù)字邏輯模塊的顯示數(shù)據(jù)，輸出用戶輸入數(shù)據(jù)；所述的FPGA數(shù)字邏輯模塊接收用戶輸入數(shù)據(jù)和高精度Α/D轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果，輸出顯示數(shù)據(jù)、高精度Α/D轉(zhuǎn)換數(shù)字控制信號(hào)和Α/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；所述的溫度輸入調(diào)理模塊接收被測(cè)溫度信息，輸出溫度信號(hào)到數(shù)字信號(hào)處理控制模塊；所述的通信接口模塊接收來(lái)自外部的通信輸入數(shù)據(jù)和來(lái)自數(shù)字信號(hào)處理控制模塊的通信輸出數(shù)據(jù)，向外部輸出通信輸出數(shù)據(jù)、向數(shù)字信號(hào)處理控制模塊輸出通信輸入數(shù)據(jù)；所述的數(shù)字信號(hào)處理控制模塊接收橋臂電流信號(hào)Ibrgl、高精度Α/D轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果、外部數(shù)字輸入信號(hào)、溫度信號(hào)以及通信輸入數(shù)據(jù)，輸出PWM信號(hào)、外部數(shù)字輸出信號(hào)和通信輸出數(shù)據(jù)。控制輸入調(diào)理模塊將核磁共振系統(tǒng)中的譜儀以差分信號(hào)形式送來(lái)的電流控制信號(hào)和，調(diào)理為單端電壓信號(hào)，一方面直接送至監(jiān)視輸出調(diào)理模塊，另一方面通過(guò)比例變換和濾波處理后得到信號(hào)，并將其送入到高精度Α/D模塊。
反饋輸入調(diào)理模塊接收各個(gè)狀態(tài)傳感器送來(lái)的狀態(tài)反饋信號(hào)，進(jìn)行比例變換并濾波，然后將需要進(jìn)行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)，送入高精度Α/D模塊和監(jiān)視輸出調(diào)理模塊，將其它無(wú)需進(jìn)行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)直接送入數(shù)字信號(hào)處理控制模塊。所述的狀態(tài)反饋信號(hào)包含至少一路高精度電流信號(hào)、至少兩路高精度直流高壓信號(hào)、以及至少八路普通精度電流信號(hào)；為保證輸出電流的控制精度，此處的高精度信號(hào)其精度應(yīng)不低于十萬(wàn)分之一，普通精度信號(hào)其精度應(yīng)不低于千分之一。高精度電流信號(hào)用于采集梯度放大器的輸出電流，高精度直流高壓信號(hào)用于采集梯度線圈兩端的直流高壓值，其它電流信號(hào)用于采集功率模塊中各橋臂上流過(guò)的電流。監(jiān)視輸出調(diào)理模塊，接收控制輸入調(diào)理模塊輸出的調(diào)理后的單端電流控制信號(hào)以及反饋輸入調(diào)理模塊送來(lái)的調(diào)理后的一路高精度電流信號(hào)和兩路高精度直流高壓信號(hào)；將單端電流控制信號(hào)進(jìn)行比例變換，生成控制輸入監(jiān)視信號(hào)；將電流控制信號(hào)和高精度的電流信號(hào)進(jìn)行求差值運(yùn)算，生成電流偏差監(jiān)視信號(hào)；將兩路高精度直流高壓信號(hào)進(jìn)行求差值運(yùn)算生成輸出電壓監(jiān)視信號(hào)；將電流控制信號(hào)進(jìn)行比例變換，生成輸出電流監(jiān)視信號(hào)；并 將這四個(gè)監(jiān)視信號(hào)經(jīng)相應(yīng)的監(jiān)視端子輸出。高精度Α/D模塊，一方面接收高精度模擬信號(hào)，所述的高精度模擬信號(hào)至少包括控制輸入調(diào)理模塊輸出的調(diào)理后的單端電流控制信號(hào)，以及反饋輸入調(diào)理模塊送來(lái)的調(diào)理后的一路高精度電流信號(hào)和兩路高精度直流高壓信號(hào)，另一方面接收FPGA數(shù)字邏輯模塊送來(lái)的數(shù)字控制信號(hào)。該模塊包含至少四路可以分別獨(dú)立工作的模塊化的高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)FPGA數(shù)字邏輯可以分別控制這些高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、停止轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置以及轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)讀取。在控制邏輯的控制下，這些模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將接收的高精度模擬信號(hào)進(jìn)行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換，為保證控制裝置的控制精度，每個(gè)通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度應(yīng)不低于20位。用戶接口模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，接收用戶的按鍵輸入信息，并通過(guò)IXD顯示器向用戶顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等系統(tǒng)信息。為滿足多種交互需求，本模塊支持至少8個(gè)按鍵的輸入，LCD顯示支持的點(diǎn)陣數(shù)不低于128X64，只需修改FPGA邏輯即可支持不同的IXD顯示模組。FPGA數(shù)字邏輯模塊，連接高精度Α/D模塊、用戶接口模塊和數(shù)字信號(hào)處理控制模塊，用于控制高精度Α/D模塊的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、讀取轉(zhuǎn)換后的高精度數(shù)字量、接收并調(diào)理用戶接口模塊送來(lái)的按鍵信號(hào)、接收數(shù)字信號(hào)處理控制模塊送來(lái)的顯示信息、驅(qū)動(dòng)LCD刷新顯示內(nèi)容以及響應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理控制模塊對(duì)用戶按鍵數(shù)據(jù)和高精度Α/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)請(qǐng)求。溫度輸入調(diào)理模塊，用于梯度放大器各關(guān)鍵部位的溫度信號(hào)的檢測(cè)，將溫度探頭送來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行變換調(diào)理后送至數(shù)字信號(hào)處理控制模塊。功率模塊中的大功率開(kāi)關(guān)器件只能在一定溫度范圍內(nèi)才能正常工作。而大功率開(kāi)關(guān)器件在周期性導(dǎo)通和截止的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量必須由散熱器及時(shí)散發(fā)，否則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件工作溫度超出正常范圍。為保證梯度放大器的正常運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)關(guān)鍵部位的溫度。本模塊包含至少六路溫度信號(hào)的變換調(diào)理，以滿足系統(tǒng)對(duì)梯度放大器各關(guān)鍵部位工作溫度的檢測(cè)需求。通信接口模塊，連接數(shù)字信號(hào)處理控制模塊，用于通信信號(hào)電平的變換，為梯度放大器的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供通信接口。
數(shù)字信號(hào)處理控制模塊，是梯度放大器控制裝置的處理控制核心。它接收反饋輸入調(diào)理模塊送來(lái)的部分狀態(tài)反饋信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度不低于12位；接收FPGA數(shù)字邏輯模塊送來(lái)的用戶按鍵信息和高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果；向FPGA數(shù)字邏輯模塊發(fā)送LCD顯示信息；接收溫度輸入調(diào)理模塊送來(lái)的溫度信號(hào)并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；通過(guò)通信接口模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行信息交互；接收外部送來(lái)的同步、使能等數(shù)字輸入信號(hào)；向外部送出同步、使能等數(shù)字輸出信號(hào)；根據(jù)采集到的各狀態(tài)反饋輸入量，通過(guò)控制算法計(jì)算各PWM信號(hào)的占空比，并通過(guò)PWM信號(hào)輸出端子輸出。本模塊中，所述的狀態(tài)信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)不少于8路，溫度信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)不少于6路，PWM輸出信號(hào)不少于8路，可以應(yīng)用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊的控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果
一、在本發(fā)明中，設(shè)置了至少四路模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度高達(dá)20位以上的高精度信號(hào)調(diào)理及采集通道，分別用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電流控制信號(hào)、電流輸出信號(hào)以及輸出正負(fù)端直流高壓信號(hào)等信號(hào)的高精度采集。這保證了梯度放大器的輸出電流控制精度能滿足當(dāng)前大多數(shù)核磁共振 成像系統(tǒng)的需求，具有實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。二、在本發(fā)明中，設(shè)置了不少于8路的模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度達(dá)12位的信號(hào)調(diào)理與采集通道，能夠?qū)Σ坏陀?個(gè)橋臂的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以對(duì)橋臂數(shù)在8個(gè)以?xún)?nèi)的功率模塊進(jìn)行有效控制；設(shè)置了不少于8路的PWM輸出通道，能夠?qū)崿F(xiàn)不少于8對(duì)以?xún)?nèi)大功率開(kāi)關(guān)器件的控制；設(shè)置了不少于6路的溫度采集通道，可以同時(shí)對(duì)不少于6個(gè)位置點(diǎn)的溫度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以保證功率模塊的安全運(yùn)行。這些措施使得本發(fā)明的梯度放大器控制裝置，在保持硬件結(jié)構(gòu)不變的情況下，可以隨時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信號(hào)數(shù)量，以到達(dá)同一個(gè)控制裝置既能應(yīng)用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊的控制，又能滿足運(yùn)行多種數(shù)字控制算法的需求。三、本發(fā)明不對(duì)電流控制信號(hào)與實(shí)際輸出電流信號(hào)之差(控制偏差)進(jìn)行采集，而是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道對(duì)這兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行采集，且采樣精度高達(dá)20位以上。這使得本發(fā)明提出的梯度放大器控制裝置可以采用更靈活的控制算法對(duì)功率模塊進(jìn)行控制。四、本發(fā)明在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試或安裝時(shí)，通過(guò)用戶接口或通信接口，調(diào)整電流控制輸入信號(hào)及實(shí)際輸出電流反饋信號(hào)的零點(diǎn)、放大倍數(shù)等參數(shù)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)校。這使得本發(fā)明的梯度放大器控制裝置安裝、調(diào)試方便。


圖I為開(kāi)關(guān)式梯度放大器工作原理示意 圖2為本發(fā)明硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明控制輸入調(diào)理模塊電路結(jié)構(gòu)示意 圖4為本發(fā)明橋臂電流信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意 圖5為本發(fā)明主回路電流信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意 圖6為本發(fā)明輸出端的直流高壓信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意 圖7為本發(fā)明監(jiān)視輸出調(diào)理模塊電路結(jié)構(gòu)示意 圖8為本發(fā)明高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)示意 圖9為本發(fā)明通信接口模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標(biāo)記101為控制模塊，102為功率模塊，201為控制輸入調(diào)理模塊，202為反饋輸入調(diào)理模塊，203為監(jiān)視輸出調(diào)理模塊，204為高精度Α/D模塊，205為用戶接口模塊，206為FPGA數(shù)字邏輯模塊，207為溫度輸入調(diào)理模塊，208為通信接口模塊，209為數(shù)字信號(hào)處理控制模塊，301為差分變單端信號(hào)電路，302為比例平移電路，303為濾波電路，401為精密電阻，402為比例平移電路，403為濾波電路，501為高精密電阻，502為比例電路，503為比例平移電路，504為濾波電路，601為耐高壓隔離電阻，602為比例電路，603為比例平移電路，604為濾波電路，701為差分運(yùn)算電路，702為輸出驅(qū)動(dòng)電路，703為輸出驅(qū)動(dòng)電路，704為差分運(yùn)算電路，705為輸出驅(qū)動(dòng)電路，706為輸出驅(qū)動(dòng)電路，801為AD7760模數(shù)轉(zhuǎn)換器，802為電平變換及穩(wěn)壓電路，803為單端變差分信號(hào)電路，901為電平轉(zhuǎn)換電路，902為電平轉(zhuǎn)換電路。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。梯度放大器工作原理如圖I所示，由功率模塊(102)和控制模塊(101)兩部分構(gòu) 成。功率模塊由大功率開(kāi)關(guān)器件如MOSFET或IGBT以H橋、多級(jí)H橋等拓?fù)湫问綐?gòu)成，其輸出端設(shè)置的濾波器用以濾除由于開(kāi)關(guān)器件的周期性導(dǎo)通和截止而產(chǎn)生的高頻諧波。控制模塊一方面接收譜儀送來(lái)的電流控制信號(hào)，另一方面實(shí)時(shí)采集各傳感器送來(lái)的輸出電流、電壓以及其它狀態(tài)信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)經(jīng)特定控制算法計(jì)算出功率模塊中各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止的時(shí)刻及時(shí)長(zhǎng)，并以PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的形式輸出到功率模塊，來(lái)控制功率模塊中各個(gè)大功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和截止，以達(dá)到控制輸出電流的目的。如圖2所示，本發(fā)明梯度放大器控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括
控制輸入調(diào)理模塊(201)，用于接收并調(diào)理電流控制信號(hào)。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，IctlD+、IctlD-是輸入到梯度放大器的電流控制信號(hào)，它是磁共振成像系統(tǒng)中由譜儀產(chǎn)生的一個(gè)-IOV^lOV范圍內(nèi)的差分形式的電壓信號(hào)。該模塊首先通過(guò)以單芯片單位增益、高速差分放大器AMP03為主體構(gòu)成的差分變單端信號(hào)電路(301)將接收到的差分電壓信號(hào)變換為單端電壓信號(hào)Ictll ；Ictll 一方面直接送至監(jiān)視輸出調(diào)理模塊(203)，另一方面通過(guò)以運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例平移電路(302)變換為(T5V的電壓信號(hào)Ictl2，再將信號(hào)Ictl2通過(guò)濾波電路(303)進(jìn)行濾波處理，濾除高頻噪聲后形成信號(hào)Ictl3 ；Ictl3送至高精度Α/D模塊(204)。反饋輸入調(diào)理模塊(202)，用于接收并調(diào)理傳感器送來(lái)的狀態(tài)反饋信號(hào)。所述的狀態(tài)反饋信號(hào)包括各橋臂電流傳感器送來(lái)的橋臂電流信號(hào)Ibrgf IbrgS、主回路電流傳感器送來(lái)的梯度放大器輸出主回路電流信號(hào)Imain以及梯度放大器正負(fù)兩個(gè)輸出端的直流高壓信號(hào)HV+、HV-。橋臂電流傳感器送來(lái)的8路橋臂電流信號(hào)IbrgA IbrgH是精度為千分之一的電流信號(hào)，本模塊對(duì)于這8路橋臂電流信號(hào)的處理是完全相同的。其中每一路的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖4所示橋臂電流信號(hào)Ibrg首先經(jīng)精密電阻(401)將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過(guò)以運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例平移電路(402)進(jìn)行比例平移變換，再經(jīng)濾波電路(403)濾波后變?yōu)?T3V的電壓信號(hào)Ibrgl。Ibrgl由本模塊輸出后直接送至數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)。主回路電流信號(hào)Imain是由主回路電流傳感器送來(lái)的精度為十萬(wàn)分之一的電流信號(hào)。其調(diào)理電路結(jié)構(gòu)過(guò)程如圖5所示本模塊首先經(jīng)高精密電阻(501)將Imain轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；通過(guò)以運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例電路(502)進(jìn)行比例變換形成-5疒+5V間的信號(hào)Imainl ；Imainl 一方面直接送至監(jiān)視輸出調(diào)理模塊(203)，另一方面通過(guò)以運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例平移電路(503)變換為(T5V的電壓信號(hào)；再經(jīng)濾波電路(504)濾波后變?yōu)?T5V的電壓信號(hào)Imain2 ；Imain2由本模塊輸出后送至高精度Α/D模塊(204)；
梯度放大器正負(fù)兩個(gè)輸出端的直流高壓信號(hào)HV+和HV-，其調(diào)理電路結(jié)構(gòu)相同，如圖6所示HV首先送至耐高壓隔離電阻(601);然后通過(guò)由耐高壓隔離電阻及運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例電路(602)進(jìn)行比例變換成為_(kāi)5疒+5V間的低壓信號(hào)HVl ;HV1 —方面直接送至監(jiān)視輸出調(diào)理模塊(203)，另一方面通過(guò)以運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例平移電路(603)進(jìn)行比例平移變換為(T5V的電壓信號(hào)；再經(jīng)濾波電路(604)濾波后變?yōu)?T5V的電壓信號(hào)HV2 ；HV2由本模塊輸出后送至高精度Α/D模塊(204)。本模塊中共設(shè)置了 8路橋臂電流調(diào)理電路，以適應(yīng)不同的控制算法需求及多種拓 撲結(jié)構(gòu)的功率模塊的控制。各運(yùn)算放大器均采用高增益、低溫漂、低噪聲運(yùn)放，電阻采用低溫漂電阻，以保證調(diào)理后橋臂電流信號(hào)的精度可達(dá)千分之一，其它信號(hào)精度可達(dá)十萬(wàn)分之
O監(jiān)視輸出調(diào)理模塊(203)，用于接收控制輸入調(diào)理模塊(201)輸出的調(diào)理后的單端電流控制信號(hào)Ictll以及反饋輸入調(diào)理模塊(202)送來(lái)的調(diào)理后的一路高精度主回路電流信號(hào)Imainl和兩路高精度直流高壓信號(hào)HV1+、HV1-，生成梯度線圈的電流監(jiān)視信號(hào)Imonitor、端電壓監(jiān)視信號(hào)Vmonitor、電流偏差監(jiān)視信號(hào)Emonitor以及控制輸入監(jiān)視信號(hào)Ictlmonitor,并將這四個(gè)監(jiān)視信號(hào)經(jīng)相應(yīng)的監(jiān)視端子輸出。本模塊電路結(jié)構(gòu)如圖7所示差分運(yùn)算電路(701)將來(lái)自反饋輸入調(diào)理模塊
(202)的梯度放大器正負(fù)兩個(gè)輸出端的直流高壓信號(hào)HV1+、HVl-進(jìn)行減法運(yùn)算，然后經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路(702)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力后，由電壓監(jiān)視端子輸出；來(lái)自反饋輸入調(diào)理模塊(202)的主回路電流信號(hào)Imainl經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路(703)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力后，由電流監(jiān)視端子輸出；差分運(yùn)算電路(704)將來(lái)自反饋輸入調(diào)理模塊(202)的主回路電流信號(hào)Imainl和來(lái)自控制輸入調(diào)理模塊(201)的電流控制信號(hào)Ictll進(jìn)行減法運(yùn)算，然后經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路(705)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力后，由偏差監(jiān)視端子輸出；來(lái)自控制輸入調(diào)理模塊(201)的電流控制信號(hào)Ictll經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路(706)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力后，由控制監(jiān)視端子輸出。高精度Α/D模塊(204)，連接控制輸入調(diào)理模塊(201)、反饋輸入調(diào)理模塊(202)和FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)。它一方面接收高精度模擬信號(hào)控制輸入調(diào)理模塊(201)輸出的調(diào)理后的單端電流控制信號(hào)以及反饋輸入調(diào)理模塊(202)送來(lái)的調(diào)理后的一路高精度電流信號(hào)和兩路高精度直流高壓信號(hào)；另一方面接收FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)送來(lái)的數(shù)字控制信號(hào)；在FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)的控制下，將這些高精度模擬信號(hào)進(jìn)行高精度Α/D轉(zhuǎn)換。本實(shí)施例中采用高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路芯片AD7760實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7760是AD公司生產(chǎn)的一款高性能低功耗24位Σ- Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，寬頻帶差分信號(hào)輸入，16位雙向并行數(shù)據(jù)接口，它的轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)2MSPS，并能根據(jù)需求靈活地通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)改變過(guò)采樣因子(32Χ至256Χ)來(lái)提高信噪比。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為625ΚΗζ時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍為109dB，信噪比(SNR)為106dB ;所需的外部時(shí)鐘信號(hào)最大值為40MHz。本實(shí)施例中對(duì)四路模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路是完全相同的，每一路的轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖8所示電平變換及穩(wěn)壓電路(802)將7. 5V的電源電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V和2. 5V，為AD7760(801)提供穩(wěn)定的電源供電和參考電壓；單端變差分信號(hào)電路(803)將要進(jìn)行采集的信號(hào)由單端變?yōu)椴罘中盘?hào)，并送至AD7760 (801)的信號(hào)輸入引腳；AD7760(801)與FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)通過(guò)16位的數(shù)據(jù)線及其它訪問(wèn)控制線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用戶接口模塊(205)，連接FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)，用于接收用戶的按鍵輸入信息，并通過(guò)LCD顯示器向用戶顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等系統(tǒng)信息，所述的按鍵·輸入可支持8個(gè)按鍵的輸入，所述的IXD顯示支持的點(diǎn)陣數(shù)為128X64。FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)，連接高精度Α/D模塊(204)、用戶接口模塊(205)和數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)，用于控制高精度Α/D模塊(204)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、讀取轉(zhuǎn)換后的高精度數(shù)字量、接收并調(diào)理用戶接口模塊(205)送來(lái)的按鍵信號(hào)、接收數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)送來(lái)的顯示信息、驅(qū)動(dòng)IXD刷新顯示內(nèi)容以及響應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)對(duì)用戶按鍵數(shù)據(jù)和高精度Α/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)請(qǐng)求。本實(shí)施例采用Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208作為核心器件來(lái)構(gòu)建FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)的電路。溫度輸入調(diào)理模塊(207)，連接數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)，用于梯度放大器各關(guān)鍵部位的溫度信息的采集，將溫度探頭送來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行變換調(diào)理。本實(shí)施例采用LM35作為溫度傳感器。LM35是NS公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器，它無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4°C精度的常用室溫精度，可測(cè)溫度范圍-55 +15(TC。本實(shí)施例包含六路溫度信號(hào)的采集及調(diào)理，每一路的電路結(jié)構(gòu)相同通過(guò)以運(yùn)算放大器AD8672為主體構(gòu)成的比例變換電路將LM35送出的信號(hào)變換成為(T3V的電壓信號(hào)，然后送至數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)。通信接口模塊(208)，連接數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)，用于通信信號(hào)電平的變換，為梯度放大器的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供通信接口。本實(shí)施例設(shè)置了 RS232和RS485兩種通信接口。電路結(jié)構(gòu)如圖9所示與數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)相連的一路串行信號(hào)通過(guò)以Max232芯片為主體構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路(901)后轉(zhuǎn)換為RS232協(xié)議的信號(hào)，然后連接到DB9規(guī)格的RS232通信端子；與數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)相連的另一路串行信號(hào)通過(guò)以Max485芯片為主體構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路(902)后轉(zhuǎn)換為RS485協(xié)議的信號(hào)，然后連接到DB9規(guī)格的RS485通信端子。數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)，是梯度放大器控制器的數(shù)據(jù)處理及控制核心。其功能為接收反饋輸入調(diào)理模塊(202)送來(lái)的部分狀態(tài)反饋信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行16位精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、接收FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)送來(lái)的用戶按鍵信息和高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果、向FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)發(fā)送LCD顯示信息、接收溫度輸入調(diào)理模塊(207)送來(lái)的溫度信號(hào)并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、通過(guò)通信接口模塊(208)與遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行信息交互、接收外部送來(lái)的同步以及使能等數(shù)字輸入信號(hào)、向外部送出同步以及使能等數(shù)字輸出信號(hào)、根據(jù)各輸入量通過(guò)控制算法計(jì)算各PWM信號(hào)的占空比并通過(guò)PWM輸出端子輸出，所述的狀態(tài)信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)為8路，溫度信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)為6路，所述的PWM輸出信號(hào)為8路。本實(shí)施例中采用德州儀器公司的TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理控制器芯片為主體來(lái)構(gòu)建數(shù)字信號(hào)處理控制模塊。TMS320F28335 DSP是TI公司推出的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)型DSP控制器，它具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元。TMS320F28335共有16路的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道，本實(shí)施例應(yīng)用其中8路來(lái)采集反饋輸入調(diào)理模塊(202)送來(lái)的橋臂電流信號(hào)IbrglA IbrglH，其中6路來(lái)采集溫度輸入調(diào)理模塊(207)送來(lái)的溫度信號(hào)；TMS320F28335共有3組串行通信接口(SCI)，本實(shí)施例應(yīng)用第一組來(lái)實(shí)現(xiàn)RS232通信，應(yīng)用第二組來(lái)實(shí)現(xiàn)RS485通信；TMS320F28335具有6組高分辨率脈寬調(diào)制(HRPWM)輸出，可以輸出12路HRPWM信號(hào)，本實(shí)施例應(yīng)用其中的4組，構(gòu)成8路HRPWM信號(hào)輸出；TMS320F28335通過(guò)配置可實(shí)現(xiàn)32位外部 接口，本實(shí)施例用其實(shí)現(xiàn)本模塊與FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)間的快速數(shù)據(jù)交換，來(lái)傳遞高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、用戶按鍵信息以及LCD顯示數(shù)據(jù)。盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種梯度放大器控制裝置，其特征在于該控制裝置包括控制輸入調(diào)理模塊(201)、反饋輸入調(diào)理模塊(202)、監(jiān)視輸出調(diào)理模塊(203)、高精度A/D模塊(204)、用戶接口模塊(205)、FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)、溫度輸入調(diào)理模塊(207)、通信接口模塊(208)和數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209);所述的控制輸入調(diào)理模塊(201)接收外部送來(lái)的差分電流控制信號(hào)IctlD+和IctlD-，輸出電流控制信號(hào)Ictll和Ictl3 ;所述的反饋輸入調(diào)理模塊(202)，接收來(lái)自傳感器的狀態(tài)反饋信號(hào)橋臂電流信號(hào)Ibrg、主回路電流信號(hào)Imain和高壓信號(hào)HV，輸出調(diào)理后的狀態(tài)反饋信號(hào)Ibrgl、ImainU Imain2、HV2和HVl ;所述的監(jiān)視輸出調(diào)理模塊(203)接收電流控制信號(hào)Ictll、主回路電流信號(hào)Imainl和高壓信號(hào)HVl，輸出電流監(jiān)視信號(hào)Imonitor、電壓監(jiān)視信號(hào)Vmonitor、電流偏差信號(hào)Emonitor以及控制輸入監(jiān)視信號(hào)Ictlmonitor ;所述的高精度A/D模塊(204)，接收電流控制信號(hào)Ictl3、主回路電流信號(hào)Imain2和高壓信號(hào)HV2等高精度模擬信號(hào)以及來(lái)自FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)的數(shù)字控制信號(hào)，輸出高精度A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果；所述的用戶接口模塊(205)接收來(lái)自操作人員的按鍵輸入信息及來(lái)自FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)的顯示數(shù)據(jù)，輸出用戶輸入數(shù)據(jù)；所述的FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)接收用戶輸入數(shù)據(jù)和高精度A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果，輸出顯示數(shù)據(jù)、高精度A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字控制信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；所述的溫度輸入調(diào)理模塊(207)接收被測(cè)溫度信息，輸出溫度信號(hào)到數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209);所述的通信接口模塊(208)接收來(lái)自外部的通信輸入數(shù)據(jù)和來(lái)自數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)的通信輸出數(shù)據(jù)，向外部輸出通信輸出數(shù)據(jù)、向數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)輸出通信輸入數(shù)據(jù)；所述的數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)接收橋臂電流信號(hào)Ibrgl、高精度A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字結(jié)果、外部數(shù)字輸入信號(hào)、溫度信號(hào)以及通信輸入數(shù)據(jù)，輸出PWM信號(hào)、外部數(shù)字輸出信號(hào)和通信輸出數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的控制輸入調(diào)理模塊(201)，將接收到的差分電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端電流控制信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行比例變換和濾波處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的反饋輸入調(diào)理模塊(202)，將接收到的狀態(tài)反饋信號(hào)進(jìn)行比例變換和濾波處理，所述的狀態(tài)反饋信號(hào)包含至少一路高精度電流信號(hào)、至少兩路高精度直流高壓信號(hào)以及至少八路普通精度電流信號(hào)，所述的高精度信號(hào)其精度不低于十萬(wàn)分之一，所述的普通精度信號(hào)其精度不低于千分之o
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的高精度A/D模塊(204)的轉(zhuǎn)換精度不低于20位。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的用戶接口模塊(205)通過(guò)LCD顯示器向用戶顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等系統(tǒng)信息，所述的按鍵輸入支持至少8個(gè)按鍵的輸入，所述的IXD顯示支持的點(diǎn)陣數(shù)不低于128X64。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的FPGA數(shù)字邏輯模塊(206)接收數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)送來(lái)的顯示信息、驅(qū)動(dòng)IXD刷新顯示內(nèi)容以及響應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)對(duì)用戶按鍵數(shù)據(jù)和高精度A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)請(qǐng)求。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的溫度輸入調(diào)理模塊(207)，采集梯度放大器各關(guān)鍵部位的溫度信息，將溫度探頭送來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行變換調(diào)理，它至少包含六路溫度信號(hào)的采集調(diào)理。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的通信接口模塊(208)，用于通信信號(hào)電平的變換，為梯度放大器的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供通信接口。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的數(shù)字信號(hào)處理控制模塊(209)將接收到的反饋輸入調(diào)理模塊(202)送來(lái)的部分狀態(tài)反饋信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換精度不低于12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將接收到的溫度輸入調(diào)理模塊(207)送來(lái)的溫度信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，所述的狀態(tài)信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)不少于8路，溫度信號(hào)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)不少于6路，所述的PWM輸出信號(hào)不少于8路。
全文摘要
本發(fā)明屬于梯度放大器控制領(lǐng)域，提供一種應(yīng)用于核磁共振成像系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)式數(shù)字化梯度放大器控制裝置，本發(fā)明包括控制輸入調(diào)理模塊、反饋輸入調(diào)理模塊、監(jiān)視輸出調(diào)理模塊、高精度A/D模塊、用戶接口模塊、FPGA數(shù)字邏輯模塊、溫度輸入調(diào)理模塊、通信接口模塊和數(shù)字信號(hào)處理控制模塊。該梯度放大器控制裝置對(duì)于功率模塊的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及不同數(shù)字控制算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；能對(duì)電流控制信號(hào)和實(shí)際輸出電流信號(hào)分別進(jìn)行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換，不僅增強(qiáng)了梯度放大器所采用的控制算法的靈活性，而且使系統(tǒng)的安裝調(diào)試以及升級(jí)更加方便快捷。
文檔編號(hào)H03G3/20GK102857184SQ20121036680
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者王振松, 劉曉云, 陳武凡 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)