基于FPGA芯片的根管擴(kuò)大儀的數(shù)字頻率計設(shè)計

張禮群

廈門市口腔醫(yī)院 設(shè)備科，福建 廈門 361003

基于FPGA芯片的根管擴(kuò)大儀的數(shù)字頻率計設(shè)計

張禮群

廈門市口腔醫(yī)院 設(shè)備科，福建 廈門 361003

采用FPGA芯片開發(fā)根管擴(kuò)大儀控制電路的數(shù)字頻率計，使所開發(fā)的電路具有體積小，工作穩(wěn)定可靠，故障率低等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣應(yīng)用的價值。

根管擴(kuò)大儀；FPGA芯片；數(shù)字頻率計；牙齒治療

根管擴(kuò)大儀是用于口腔根管治療手術(shù)中根管擴(kuò)大成型的一種電子設(shè)備。該設(shè)備主要由控制器、根管治療手機(jī)和腳踏開關(guān)3部分組成。

1 根管擴(kuò)大儀控制電路的組成框圖

根管治療儀的工作原理是：通過變速齒輪盤將高轉(zhuǎn)速的馬達(dá)變成根管預(yù)備手術(shù)所需的低轉(zhuǎn)速，大扭矩狀態(tài)，并通過反饋控制電路對轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行自動跟蹤控制，以防止斷針現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

早期的根管治療儀控制電路主要由單片機(jī)組成，主要控制根管治療手機(jī)上電動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。根管治療手機(jī)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速一般為1200～1600r/min，要求速度可調(diào)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片的推廣應(yīng)用，用FPGA芯片開發(fā)的根管擴(kuò)大儀控制電路具有體積小，性能穩(wěn)定，功能更多的特點(diǎn)[2]。

圖1 根管擴(kuò)大儀控制電路組成

根據(jù)根管擴(kuò)大儀的工作原理可得根管擴(kuò)大儀控制電路的組成框圖，如圖1所示。

目前根管擴(kuò)大儀內(nèi)部的馬達(dá)均采用無碳刷電動馬達(dá)，無碳刷電動馬達(dá)的組成由轉(zhuǎn)子、定子和控制電路3部分組成。

無碳刷電動馬達(dá)的工作原理是：無碳刷電動馬達(dá)的轉(zhuǎn)子由磁鋼組成，定子是繞組，控制電路的作用是采集電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況，并將采集到的信號送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置中，接收轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置輸出的信號，自動對不同的繞組供電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動馬達(dá)以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)[3]。

根據(jù)電動馬達(dá)的工作原理可知電動馬達(dá)控制電路主要的作用是：采集電動馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化的情況，然后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。利用數(shù)字頻率計可以很方便地采集到馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化的情況[4]。

2 用FPGA開發(fā)電動馬達(dá)控制電路的數(shù)字頻率計

根據(jù)兩位十進(jìn)制數(shù)字頻率計的邏輯功能可知，兩位十進(jìn)制數(shù)字頻率計應(yīng)由帶鎖存功能的十進(jìn)制計數(shù)器電路、測頻時序控制電路，顯示譯碼器和頻率計頂層電路等4部分組成。兩位十進(jìn)制數(shù)字頻率計的層次化結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[5]。

圖2 測頻控制電路組成

利用FPGA技術(shù)進(jìn)行兩位十進(jìn)制數(shù)字頻率計設(shè)計的步驟是：先分別設(shè)計底層的計數(shù)器電路模塊，測頻時序控制電路模塊和顯示譯碼器電路模塊，再在頻率計頂層電路中調(diào)入事先設(shè)計好的3個底層電路模塊。

數(shù)字頻率計的核心元件之一是含時鐘使能和進(jìn)位擴(kuò)展輸出的十進(jìn)制計數(shù)器，用Verilog HDL語言編寫兩個十進(jìn)制計數(shù)器的程序?yàn)閇6]：

該程序通過編譯后波形仿真的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 計數(shù)器時序仿真

波形仿真的結(jié)果不僅顯示出十進(jìn)制計數(shù)器的功能，還顯示出所設(shè)計的電路模塊當(dāng)輸入信號R為低電平時，電路復(fù)位。當(dāng)R為高電平，且EP和ET也為高電平時，電路為十進(jìn)制計數(shù)器；當(dāng)R為高電平，且EP和ET為低電平時，電路是鎖存器，保存計數(shù)的數(shù)據(jù)不變。

通過波形仿真以后，將當(dāng)前文件變成一個包裝好的單一元件，并放置在工程路徑指定的文件夾中備用[6]。

用相同的辦法也可以設(shè)計測頻控制電路和顯示譯碼器，并將設(shè)計好的電路包裝入庫。

3 頻率計頂層電路的設(shè)計

頻率計頂層電路是用來連接底層電路的，在底層電路模塊已經(jīng)包裝入庫的前提下，用原理圖編輯功能設(shè)計好的電路如圖4所示[7]。

圖4 測頻控制電路組成

該電路通過編譯以后，波形仿真的結(jié)果如圖5所示。

圖5 測頻控制電路時序仿真

波形仿真的結(jié)果清晰地顯示出，頻率計電路在復(fù)位信號R的驅(qū)動下開始測頻的工作。測頻電路輸入的clk信號周期是10ns，待測信號的周期是23ns， 1 μ s的測量時間內(nèi)脈沖數(shù)應(yīng)為44，頻率計輸出的信號a2b2c2d2e2f2g2和a1b1c1d1e1f1g1相等，都是0110011，該信號輸入七段數(shù)碼管，將顯示數(shù)字44，所測信號的頻率為44MHz，說明所設(shè)計的電路時序正確[8]。

4 根管擴(kuò)大儀控制電路的總體設(shè)計和結(jié)論

根據(jù)圖1的組成框圖，可分別用上面介紹的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，轉(zhuǎn)向控制裝置和保護(hù)信號設(shè)置電路，并將設(shè)計好的電路包裝成一個元件后，利用頂層的控制面板電路將根管治療儀的控制電路集成起來，并將設(shè)計好的電路下載到FPGA芯片上，接到機(jī)器的外圍電路上，機(jī)器工作正常，說明電路設(shè)計正確[9]。

因?yàn)椴捎肍PGA芯片完成總體電路的集成，使得控制電路較原來的電路具有體積小，工作穩(wěn)定可靠，故障率低等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣應(yīng)用的價值[10-12]。

[1]張志君.口腔設(shè)備學(xué)[M].成都:四川大學(xué)出版社,2008.

[2]楊剛,周群.電子系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[3]秦曾煌.電工學(xué)（上冊）[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4]喬廬峰.Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與驗(yàn)證[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5]江國強(qiáng).數(shù)字系統(tǒng)的Verilog HDL設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[6]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[7]江國強(qiáng).新編數(shù)字邏輯電路[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.

[8]陳利永.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[M].北京:鐵道工業(yè)出版社,2007.

[9]孫肖子,等.電子設(shè)計指南[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10]李金平.電子系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[11]胡敏,等.如何正確使用口腔綜合治療機(jī)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2010,25(12):30.

[12]王淑文.基于CPLD的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(12):184-185.

Design of the Digital Frequency-meter in the Pulp Canal Expander Based on FPGA

ZHANG Li-qun
Equipment Department, Xiamen Stomatological Hospital, Xiamen Fujian 361003, China

TH787+.1；R781.05

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.008

1674-1633(2011)04-0026-02

2010-12-24

2011-01-28

作者郵箱：xmzlq@163.com

Abstract:This paper introduces how to design the digital frequency-meter in the pulp canal expander based on FPGA. The digital frequency-meter has advantages of small volume, good reliability and low failure ratio,and is worthy to be popularized.

Key words:pulp canal expander; FPGA chip; digital frequency-meter; dental therapy