基于MSP430的医用直线加速器自动频率控制系统的设计

引言

自动频率控制系统（Automatic Frequency Control，AFC）是直线加速器控制系统的核心，其性能的稳定性将直接影响加速器磁控管产生微波频率的稳定性和准确性以及加速器输出射线（X线、电子线）的物理指标，因此，设计出一种性能稳定的自动频率控制系统将直接影响加速器质量的优劣[1-2]。为了降低自动频率控制系统的功耗，提高数据处理的速度，本文采用低功耗且数据处理速度快的MSP430单片机作为控制器。为了提高系统的控制精度和稳定性，本文设计了锁相型自动频率控制系统，该系统采用鉴相的方法，将磁控管频率变化产生的频率差转换成前向波和反向波的相位差，将相位差转化为电压差由放大电路放大后送给MSP430单片机处理[3]，MSP430单片机用来控制驱动电机转动达到稳定磁控管振荡频率的目的。此外，为了保证系统的安全性，本文设计的自动频率控制系统增加了对电机过流保护和限位保护功能。

1 自动频率控制系统的硬件设计

本文设计的直线加速器的锁相型AFC系统的硬件原理图，见图1，由磁控管及调谐机构、四端环流器、取样导波、衰减器、检波座与检波二极管、混频桥以及稳频与触发组成。磁控管与四端环流器之间接入能够耦合出反映入射波状态的信号E1的取样波导1，E1通过衰减器和移相器送到微波的混合环端口1，在四端环流器和四端环流器的吸收负载之间接入能够耦合出反映反射波状态信号E4的取样波导2，E4通过衰减器送到微波的混合环端口4。信号E1和E4在混合环中进行矢量合成，合成的信号在微波混合环中进行矢量合成，经过混合环的端口2和3输出矢量的合成信号E2和E3，矢量的合成信号E2和E3通过检波器进行平方率检波输出脉冲的包络信号V2和V3，之后送入差分放大电路，得到合成电压差信号Ve=k(V2-V3)，放大后的Ve经采样保持电路以及功率放大电路后调节调谐电机去调节磁控管，从而达到控制调节磁控管发出微波的频率[4]。

1.1 前置差分放大电路

前置差分放大电路主要对入射波与反射波包络信号进行差分放大，得到反映频差的合成信号[5-6]。本文设计的前置差分放大电路的电路图，见图2。入射波与反射波信号通过耦合、衰减、检波后的包络信号幅度的绝对值在0～0.5 V左右，本文中前向波和反向波频率的变化最终经两个检波二极管后分别输入到前置差分放大电路的两个输入端，分别用AFCA和AFCB表示，该前置放大电路为差动放大电路，利用差动放大电路的优点是：当该电路中干扰信号时，设为ΔV，则AFCA=A+ΔV，AFCB=B+ΔV，前置放大电路的输出电压为：

误差ΔV得到了抵消，C1和R1构成耦合电路，耦合电容C1对电路构成低通滤波，滑动变阻器RPl起分压作用，通过调节可以改变放大器U3B的输出电压，反向连接的稳压管CR1和CR2串联起到稳压的作用，最终将放大稳压后的信号输出给采样保持电路，前置差分放大电路在图1自动频率控制系统原理图中的位置位于两个检波二极管和取样保持部分之间[7-8]。

1.2 采样保持电路

采样保持电路能够很好的跟踪或保持输入模拟信号的电平值，本文设计的采样保持电路图，见图3。其主要作用是对经前置差分放大电路放大后的电压差信号进行采样保持，要求得到的电压差信号能够反映频差的变化，经前置放大电路放大后的电压差信号耦合到采样保持器AD585的第2引脚，其合成的信号脉冲宽度大约为4.2 μs左右，它在图1自动频率控制系统原理图中的位置为取样保持部分。

1.3 功率放大及电机控制电路

加速管与磁控管的频率不一致产生频率差，频率差的变化会转换成相位差，通过检相二极管转换成电压差，经差分放大电路和采样保持电路的电压差信号送入功率放大电路及电机运动控制电路（图4）后，会控制电机反转或正转来调节磁控管产生的频率，它在图1自动频率控制系统原理图中的位置为控制电路和电机驱动部分[9-10]。

1.4 MSP430单片机控制电路

MSP430作为控制器，其作用是对主控PC机发出的指令（能档切换、状态/参数设置/查询、加/切断高/低压、手动/自动模式切换等）进行处理，并控制AFC自动频率控制系统做出相应的动作，见图5。

直线加速器分为电子线五个档位和X线两个档位，当选择某个能档时，单片机会选择存储在X25045芯片中对应的电压值，通过调节调谐电机来调节磁控管的频率。为了防止电路过流对电机造成损害，将电路采集的电流值经AD转换成数字信号送入MSP430单片机，单片机将该采样值与过流门限值进行比较后发出控制信号来控制电机停转[11-12]。为了防止磁控管活塞超限，利用MSP430单片机对精密电位器采样到的磁控管调节活塞的位置对应的电压值与磁控管调节活塞的两个尽头位置对应的电压值进行比较，控制电机的正反转。

2 自动频率控制系统软件设计

2.1 AFC系统与主控计算机的通信

直线加速器自动频率控制系统与加速器主控制计算机之间的通信主要是通过RS485通信模块实现的，当AFC系统的MSP430单片机控制系统接收到加速器主控制计算机发出的报文后，会对报文进行相应的处理和应答，执行直线加速器主控制计算机的指令。

2.2 AFC控制系统的PC机控制设计

AFC系统采用的控制器核心部件为MSP430单片机，利用其强大的处理能力、运行速度快、中断源较多以及功耗低的优点可以很好的实现AFC系统的软件控制。

AFC系统的PC机控制软件系统主要用来控制自动/手动切换、加/切断低压或加/切断高压，能档控制模块、设置状态/参数，查询当前参数/状态等。本文设计的自动频率控制系统软件，见图6，其包含4个模块，分别是AFC控制系统调节模块、能档控制模块、信息设置模块模块和信息查询模块。

2.2.1 AFC控制系统的能档控制设计

直线加速器多个能档对应不同的频率，当切换能档时，单片机送出的各个能档对应的数字电压信号会转换为模拟电压信号，为了方便的进行调试，在调试阶段手动调节磁控管的输出频率，找出各个能档的最佳工作频率点。

为了达到更佳的调节精度，本文将各能档的最佳频率位置点存储在存储芯片X25045中，利用MSP430单片机软件控制在切换不同的能档时调出使用，并利用PWM（脉冲宽度调制）软件编程来驱动磁控管的调谐电机，从而达到调节磁控管的输出频率的目的。

2.2.2 AFC控制系统的设置和查询设计

当按下设置状态/设置参数或查询状态/查询参数按键时，AFC系统的主控PC机发出指令，通过RS485通信模块传输给加速器自动频率控制系统（AFC系统）的控制器MSP430单片机，MSP430单片机根据接收到的指令将查询到的状态或参数信息通过RS485通信模块反馈给主控PC机，并在主控PC机上显示。

2.3 AFC的主程序模块流程图设计

自动频率控制系统软件主程序主要是判断单片机是否接收到加速器主控制计算机发出的指令并对指令做出反应以及实时监测当前自动频率控制系统（AFC系统）的状态，主程序模块的流程图，见图7。主程序模块主要是判断MSP430单片机是否接收到加速器主控制计算机发出的指令并对指令做出反应以及实时监测当前AFC系统的状态[13-14]。

3 自动频率控制系统实验测试结果

为验证本文设计的自动频率控制系统能否满足要求，先进行调试，然后验证当AFC开关处于自动或手动位置时AFC系统是否可实现稳频[15]，此外，直线加速器处于电子线5个档位，X线两个档位时，AFC系统对频率稳定的精度。

3.1 AFC稳频效果验证

当AFC处于手动位置时，设置剂量率为100出束，此时调剂量率到最大，调节AFC的偏差为0，向右拨动AFC选择开关时，AFC偏差变为负值并至最小，同时剂量率变小，向左拨动AFC开关时，AFC偏差由负经0变向正值并至最大，同时剂量率由小变大再变小，说明当AFC开关处于手动位置时，AFC系统能起到稳频的效果。当AFC置于自动位时置，AFC偏差变向0，同时剂量率增大，说明当AFC开关处于自动位置时AFC系统能起到稳频的效果。

3.2 能档测试结果验证

将频谱仪接在前向波采样波导和四端换流器电路的频率观察端口，在电子直线加速器正常工作出束情况下，用频谱仪监测当前的频率值，对应连续测量5次，求其平均值，然后取出前向波采样波导处的频率和四端换流器处反向波的频率的差值，这个差值反映了AFC系统对频率稳定的精度。

分别对前向波和反向波的频率测量5次，求其平均值为f1和f2，单位为MHz，当直线加速器位于不同的能档（X 线档 X4、X6，电子线档 E6、E8、E10、E12、E14）时，前向波和反f向波频率差值绝对值的平均值用f3表示，其中

不同能档时，频率差值绝对值的平均值的测量结果，见表1。

实验结果表明，当直线加速器位于不同的能档时，前向波和反向波频率差值绝对值的平均值均小于等于0.018 MHz，该结果证明了本文设计的直线加速器的AFC自动频率控制系统的技术指标达到了电子直线加速器国家标准的要求。

4 结论

本文设计的自动频率控制系统采用MSP430单片机作为控制器，比采用STC89C52单片机作为控制器的自动频率控制系统的功耗低且数据运行处理的速度快[16]。本文采用鉴相方法设计的锁相型自动频率控制系统克服了早期设计的晶振式自动稳频系统和双腔式自动频率控制系统因温度和外界条件变化引起的直线加速器磁控管频率的变化，该系统具有控制精度高、稳定性高和误差小的优点。本文设计的直线加速器位于不同的能档时，前向波和反向波频率差值绝对值的平均值均小于等于0.018 MHz，其频率稳定精度在设定的标准范围之内，达到了总体设计指标要求。

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