專利名稱：一種梯度放大器控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及梯度放大器控制領域，更具體地說涉及一種應用于核磁共振成像系統的開關式數字化梯度放大器控制裝置。
背景技術：
核磁共振成像被認為是二十世紀醫學診斷最重要的進展之一。作為一種新興的臨床醫療診斷手段，由于其成像分辨率高、對比度好，并且具有無電離輻射、無損傷、可實現多參數成像及任意方位截面成像等優點，核磁共振成像越來越顯示出廣闊的發展前景。梯度子系統是核磁共振成像設備的一個重要子系統，由梯度線圈、梯度控制器、梯度電源、梯度放大器等組成。梯度系統主要通過梯度放大器的工作來滿足核磁共振成像系 統的要求，它為梯度線圈提供驅動電流，將譜儀所產生的具有一定時序的與X軸、Y軸、Z軸三個方向的梯度場相對應的脈沖序列信號，進行放大以在空間中產生相應的梯度磁場。大電流輸出、高電流變化率、低穩態電流波動以及良好的波形跟蹤能力是梯度放大器的主要設計要求。梯度放大器有兩種類型線性放大器和開關模式放大器。開關模式的梯度放大器考慮梯度線圈的負載特性是感抗占主要成分，進行有針對性設計，使其能效較高。而且，它可以通過串聯或并聯等組合配置來提供更大的梯度脈沖輸出功率。隨著電力電子技術的發展，開關模式梯度放大器已經基本取代了線性功率放大器。典型的開關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)兩部分構成。功率模塊由大功率開關器件如MOSFET或IGBT以H橋、多級H橋等拓撲形式構成，其輸出端設置的濾波器用以濾除由于開關器件的周期性導通和截止而產生的高頻諧波。控制模塊一方面接收譜儀送來的電流控制信號，另一方面實時采集各傳感器送來的輸出電流、電壓以及其它狀態信號，并根據這些信號經特定控制算法計算出功率模塊中各個開關器件的導通和截止的時刻及時長，并以PWM(脈沖寬度調制)信號的形式輸出到功率模塊，來控制功率模塊中各個大功率開關器件的導通和截止，以達到控制輸出電流的目的。目前對于梯度放大器的設計大都是整體進行的，未把控制模塊作為一個通用的組件進行設計，這樣做存在如下問題
首先，隨著核磁共振成像系統的發展，對梯度子系統的要求越來越高，為滿足這種發展需求，各種拓撲結構的功率模塊不斷被提出。另一方面，電力電子技術的不斷進步也促使功率模塊的拓撲結構不斷發生變化。這種功率模塊拓撲結構不斷發展的趨勢在將來還會繼續延續。對于不同拓撲結構的功率模塊，其控制模塊要監測的狀態信號種類及數量也會不同。目前對每種拓撲結構的功率模塊往往都要進行相應的控制模塊的設計，這不僅大大延長了梯度功率放大器的研發周期，而且增加了其研發成本。另外，隨著計算機技術引入控制領域，數字化控制技術脫穎而出，控制模塊的數字化使人們可以將一些先進的控制算法應用于梯度放大器的控制中，來改善梯度系統的性能。因此梯度放大器控制模塊的數字化是未來發展的趨勢。隨著控制技術的發展，先進的控制算法也不斷涌現。對于不同的控制算法，即使功率模塊的拓撲結構相同，其要監測的狀態變量也不盡相同。因此，以新的控制算法替代舊的算法進行系統升級時，往往也要對控制模塊硬件進行重新設計以滿足新的算法要求。這也會導致研發周期的增長以及研發成本的增加。而且，目前的數字化梯度放大器控制模塊僅對控制偏差信號進行模/數(Α/D)轉換，未對電流控制信號和實際輸出電流信號分別進行模/數轉換，控制算法只能利用偏差信號進行控制。這一方面大大限制了控制算法的靈活性；另一方面，在系統安裝調試時，必須通過硬件調整控制輸入及電流反饋輸出的零點、放大倍數等參數，這使得系統安裝、調試不夠方便
發明內容
基于此，本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種通用的組件化的數字化梯度放大器控制裝置，它對于功率模塊的不同拓撲結構以及不同數字控制算法具有很強的適應性；能對輸入電流控制信號和實際輸出電流信號分別進行高精度模/數轉換，不僅能增強控制算法的靈活性，而且使系統的安裝調試以及升級更加方便快捷。為達到上述發明目的，本發明采用如下技術方案
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理模塊、反饋輸入調理模塊、監視輸出調理模塊、高精度Α/D模塊、用戶接口模塊、FPGA數字邏輯模塊、溫度輸入調理模塊、通信接口模塊和數字信號處理控制模塊；所述的控制輸入調理模塊接收外部送來的差分電流控制信號IctlD+和IctlD-，輸出電流控制信號Ictll和Ictl3 ;所述的反饋輸入調理模塊，接收來自傳感器的狀態反饋信號橋臂電流信號Ibrg、主回路電流信號Imain和高壓信號HV，輸出調理后的狀態反饋信號Ibrgl、Imainl、Imain2、HV2和HVl ;所述的監視輸出調理模塊接收電流控制信號Ictll、主回路電流信號Imainl和高壓信號HV1，輸出電流監視信號Imonitor、電壓監視信號Vmonitor、電流偏差信號Emonitor以及控制輸入監視信號Ictlmonitor ;所述的高精度Α/D模塊，接收電流控制信號Ictl3、主回路電流信號Imain2和高壓信號HV2等高精度模擬信號以及來自FPGA數字邏輯模塊的數字控制信號，輸出高精度Α/D轉換數字結果；所述的用戶接口模塊接收來自操作人員的按鍵輸入信息及來自FPGA數字邏輯模塊的顯示數據，輸出用戶輸入數據；所述的FPGA數字邏輯模塊接收用戶輸入數據和高精度Α/D轉換數字結果，輸出顯示數據、高精度Α/D轉換數字控制信號和Α/D轉換結果；所述的溫度輸入調理模塊接收被測溫度信息，輸出溫度信號到數字信號處理控制模塊；所述的通信接口模塊接收來自外部的通信輸入數據和來自數字信號處理控制模塊的通信輸出數據，向外部輸出通信輸出數據、向數字信號處理控制模塊輸出通信輸入數據；所述的數字信號處理控制模塊接收橋臂電流信號Ibrgl、高精度Α/D轉換數字結果、外部數字輸入信號、溫度信號以及通信輸入數據，輸出PWM信號、外部數字輸出信號和通信輸出數據。控制輸入調理模塊將核磁共振系統中的譜儀以差分信號形式送來的電流控制信號和，調理為單端電壓信號，一方面直接送至監視輸出調理模塊，另一方面通過比例變換和濾波處理后得到信號，并將其送入到高精度Α/D模塊。
反饋輸入調理模塊接收各個狀態傳感器送來的狀態反饋信號，進行比例變換并濾波，然后將需要進行高精度模/數轉換的信號，送入高精度Α/D模塊和監視輸出調理模塊，將其它無需進行高精度模/數轉換的信號直接送入數字信號處理控制模塊。所述的狀態反饋信號包含至少一路高精度電流信號、至少兩路高精度直流高壓信號、以及至少八路普通精度電流信號；為保證輸出電流的控制精度，此處的高精度信號其精度應不低于十萬分之一，普通精度信號其精度應不低于千分之一。高精度電流信號用于采集梯度放大器的輸出電流，高精度直流高壓信號用于采集梯度線圈兩端的直流高壓值，其它電流信號用于采集功率模塊中各橋臂上流過的電流。監視輸出調理模塊，接收控制輸入調理模塊輸出的調理后的單端電流控制信號以及反饋輸入調理模塊送來的調理后的一路高精度電流信號和兩路高精度直流高壓信號；將單端電流控制信號進行比例變換，生成控制輸入監視信號；將電流控制信號和高精度的電流信號進行求差值運算，生成電流偏差監視信號；將兩路高精度直流高壓信號進行求差值運算生成輸出電壓監視信號；將電流控制信號進行比例變換，生成輸出電流監視信號；并 將這四個監視信號經相應的監視端子輸出。高精度Α/D模塊，一方面接收高精度模擬信號，所述的高精度模擬信號至少包括控制輸入調理模塊輸出的調理后的單端電流控制信號，以及反饋輸入調理模塊送來的調理后的一路高精度電流信號和兩路高精度直流高壓信號，另一方面接收FPGA數字邏輯模塊送來的數字控制信號。該模塊包含至少四路可以分別獨立工作的模塊化的高精度模/數轉換電路，通過FPGA數字邏輯可以分別控制這些高精度模/數轉換電路的啟動轉換、停止轉換、轉換參數設置以及轉換結果數據讀取。在控制邏輯的控制下，這些模/數轉換電路將接收的高精度模擬信號進行高精度模/數轉換，為保證控制裝置的控制精度，每個通道的模/數轉換精度應不低于20位。用戶接口模塊用來實現人機交互，接收用戶的按鍵輸入信息，并通過IXD顯示器向用戶顯示系統的運行狀態、運行參數等系統信息。為滿足多種交互需求，本模塊支持至少8個按鍵的輸入，LCD顯示支持的點陣數不低于128X64，只需修改FPGA邏輯即可支持不同的IXD顯示模組。FPGA數字邏輯模塊，連接高精度Α/D模塊、用戶接口模塊和數字信號處理控制模塊，用于控制高精度Α/D模塊的模/數轉換、讀取轉換后的高精度數字量、接收并調理用戶接口模塊送來的按鍵信號、接收數字信號處理控制模塊送來的顯示信息、驅動LCD刷新顯示內容以及響應數字信號處理控制模塊對用戶按鍵數據和高精度Α/D轉換結果數據的實時請求。溫度輸入調理模塊，用于梯度放大器各關鍵部位的溫度信號的檢測，將溫度探頭送來的溫度信號進行變換調理后送至數字信號處理控制模塊。功率模塊中的大功率開關器件只能在一定溫度范圍內才能正常工作。而大功率開關器件在周期性導通和截止的過程中會產生大量的熱量，這些熱量必須由散熱器及時散發，否則會導致開關器件工作溫度超出正常范圍。為保證梯度放大器的正常運行，必須實時檢測關鍵部位的溫度。本模塊包含至少六路溫度信號的變換調理，以滿足系統對梯度放大器各關鍵部位工作溫度的檢測需求。通信接口模塊，連接數字信號處理控制模塊，用于通信信號電平的變換，為梯度放大器的遠程監控提供通信接口。
數字信號處理控制模塊，是梯度放大器控制裝置的處理控制核心。它接收反饋輸入調理模塊送來的部分狀態反饋信號，對其進行模/數轉換，轉換精度不低于12位；接收FPGA數字邏輯模塊送來的用戶按鍵信息和高精度模/數轉換結果；向FPGA數字邏輯模塊發送LCD顯示信息；接收溫度輸入調理模塊送來的溫度信號并進行模/數轉換；通過通信接口模塊與遠程監控端進行信息交互；接收外部送來的同步、使能等數字輸入信號；向外部送出同步、使能等數字輸出信號；根據采集到的各狀態反饋輸入量，通過控制算法計算各PWM信號的占空比，并通過PWM信號輸出端子輸出。本模塊中，所述的狀態信號模/數轉換的通道數不少于8路，溫度信號模/數轉換的通道數不少于6路，PWM輸出信號不少于8路，可以應用于多種拓撲結構的功率模塊的控制。與現有技術相比，本發明具有的有益效果
一、在本發明中，設置了至少四路模/數轉換精度高達20位以上的高精度信號調理及采集通道，分別用于實現對電流控制信號、電流輸出信號以及輸出正負端直流高壓信號等信號的高精度采集。這保證了梯度放大器的輸出電流控制精度能滿足當前大多數核磁共振 成像系統的需求，具有實用性強的特點。二、在本發明中，設置了不少于8路的模/數轉換精度達12位的信號調理與采集通道，能夠對不低于8個橋臂的電流數據進行采集，可以對橋臂數在8個以內的功率模塊進行有效控制；設置了不少于8路的PWM輸出通道，能夠實現不少于8對以內大功率開關器件的控制；設置了不少于6路的溫度采集通道，可以同時對不少于6個位置點的溫度信號進行檢測，以保證功率模塊的安全運行。這些措施使得本發明的梯度放大器控制裝置，在保持硬件結構不變的情況下，可以隨時調整監測的狀態信號數量，以到達同一個控制裝置既能應用于多種拓撲結構的功率模塊的控制，又能滿足運行多種數字控制算法的需求。三、本發明不對電流控制信號與實際輸出電流信號之差(控制偏差)進行采集，而是通過兩個獨立的高精度模/數轉換通道對這兩個信號分別進行采集，且采樣精度高達20位以上。這使得本發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功率模塊進行控制。四、本發明在進行系統調試或安裝時，通過用戶接口或通信接口，調整電流控制輸入信號及實際輸出電流反饋信號的零點、放大倍數等參數來進行系統調校。這使得本發明的梯度放大器控制裝置安裝、調試方便。


圖I為開關式梯度放大器工作原理示意 圖2為本發明硬件系統結構示意 圖3為本發明控制輸入調理模塊電路結構示意 圖4為本發明橋臂電流信號調理電路結構示意 圖5為本發明主回路電流信號調理電路結構示意 圖6為本發明輸出端的直流高壓信號調理電路結構示意 圖7為本發明監視輸出調理模塊電路結構示意 圖8為本發明高精度模/數轉換電路結構示意 圖9為本發明通信接口模塊電路結構示意圖；圖中標記101為控制模塊，102為功率模塊，201為控制輸入調理模塊，202為反饋輸入調理模塊，203為監視輸出調理模塊，204為高精度Α/D模塊，205為用戶接口模塊，206為FPGA數字邏輯模塊，207為溫度輸入調理模塊，208為通信接口模塊，209為數字信號處理控制模塊，301為差分變單端信號電路，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為差分運算電路，702為輸出驅動電路，703為輸出驅動電路，704為差分運算電路，705為輸出驅動電路，706為輸出驅動電路，801為AD7760模數轉換器，802為電平變換及穩壓電路，803為單端變差分信號電路，901為電平轉換電路，902為電平轉換電路。
具體實施例方式下面將結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的描述。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 成。功率模塊由大功率開關器件如MOSFET或IGBT以H橋、多級H橋等拓撲形式構成，其輸出端設置的濾波器用以濾除由于開關器件的周期性導通和截止而產生的高頻諧波。控制模塊一方面接收譜儀送來的電流控制信號，另一方面實時采集各傳感器送來的輸出電流、電壓以及其它狀態信號，并根據這些信號經特定控制算法計算出功率模塊中各個開關器件的導通和截止的時刻及時長，并以PWM(脈沖寬度調制)信號的形式輸出到功率模塊，來控制功率模塊中各個大功率開關器件的導通和截止，以達到控制輸出電流的目的。如圖2所示，本發明梯度放大器控制器的硬件系統結構，包括
控制輸入調理模塊(201)，用于接收并調理電流控制信號。其電路結構如圖3所示，IctlD+、IctlD-是輸入到梯度放大器的電流控制信號，它是磁共振成像系統中由譜儀產生的一個-IOV^lOV范圍內的差分形式的電壓信號。該模塊首先通過以單芯片單位增益、高速差分放大器AMP03為主體構成的差分變單端信號電路(301)將接收到的差分電壓信號變換為單端電壓信號Ictll ；Ictll 一方面直接送至監視輸出調理模塊(203)，另一方面通過以運算放大器AD8672為主體構成的比例平移電路(302)變換為(T5V的電壓信號Ictl2，再將信號Ictl2通過濾波電路(303)進行濾波處理，濾除高頻噪聲后形成信號Ictl3 ；Ictl3送至高精度Α/D模塊(204)。反饋輸入調理模塊(202)，用于接收并調理傳感器送來的狀態反饋信號。所述的狀態反饋信號包括各橋臂電流傳感器送來的橋臂電流信號Ibrgf IbrgS、主回路電流傳感器送來的梯度放大器輸出主回路電流信號Imain以及梯度放大器正負兩個輸出端的直流高壓信號HV+、HV-。橋臂電流傳感器送來的8路橋臂電流信號IbrgA IbrgH是精度為千分之一的電流信號，本模塊對于這8路橋臂電流信號的處理是完全相同的。其中每一路的調理電路結構如圖4所示橋臂電流信號Ibrg首先經精密電阻(401)將其轉換為電壓信號，然后通過以運算放大器AD8672為主體構成的比例平移電路(402)進行比例平移變換，再經濾波電路(403)濾波后變為(T3V的電壓信號Ibrgl。Ibrgl由本模塊輸出后直接送至數字信號處理控制模塊(209)。主回路電流信號Imain是由主回路電流傳感器送來的精度為十萬分之一的電流信號。其調理電路結構過程如圖5所示本模塊首先經高精密電阻(501)將Imain轉換為電壓信號；通過以運算放大器AD8672為主體構成的比例電路(502)進行比例變換形成-5疒+5V間的信號Imainl ；Imainl 一方面直接送至監視輸出調理模塊(203)，另一方面通過以運算放大器AD8672為主體構成的比例平移電路(503)變換為(T5V的電壓信號；再經濾波電路(504)濾波后變為(T5V的電壓信號Imain2 ；Imain2由本模塊輸出后送至高精度Α/D模塊(204)；
梯度放大器正負兩個輸出端的直流高壓信號HV+和HV-，其調理電路結構相同，如圖6所示HV首先送至耐高壓隔離電阻(601);然后通過由耐高壓隔離電阻及運算放大器AD8672為主體構成的比例電路(602)進行比例變換成為_5疒+5V間的低壓信號HVl ;HV1 —方面直接送至監視輸出調理模塊(203)，另一方面通過以運算放大器AD8672為主體構成的比例平移電路(603)進行比例平移變換為(T5V的電壓信號；再經濾波電路(604)濾波后變為(T5V的電壓信號HV2 ；HV2由本模塊輸出后送至高精度Α/D模塊(204)。本模塊中共設置了 8路橋臂電流調理電路，以適應不同的控制算法需求及多種拓 撲結構的功率模塊的控制。各運算放大器均采用高增益、低溫漂、低噪聲運放，電阻采用低溫漂電阻，以保證調理后橋臂電流信號的精度可達千分之一，其它信號精度可達十萬分之
O監視輸出調理模塊(203)，用于接收控制輸入調理模塊(201)輸出的調理后的單端電流控制信號Ictll以及反饋輸入調理模塊(202)送來的調理后的一路高精度主回路電流信號Imainl和兩路高精度直流高壓信號HV1+、HV1-，生成梯度線圈的電流監視信號Imonitor、端電壓監視信號Vmonitor、電流偏差監視信號Emonitor以及控制輸入監視信號Ictlmonitor,并將這四個監視信號經相應的監視端子輸出。本模塊電路結構如圖7所示差分運算電路(701)將來自反饋輸入調理模塊
(202)的梯度放大器正負兩個輸出端的直流高壓信號HV1+、HVl-進行減法運算，然后經輸出驅動電路(702)增強驅動能力后，由電壓監視端子輸出；來自反饋輸入調理模塊(202)的主回路電流信號Imainl經輸出驅動電路(703)增強驅動能力后，由電流監視端子輸出；差分運算電路(704)將來自反饋輸入調理模塊(202)的主回路電流信號Imainl和來自控制輸入調理模塊(201)的電流控制信號Ictll進行減法運算，然后經輸出驅動電路(705)增強驅動能力后，由偏差監視端子輸出；來自控制輸入調理模塊(201)的電流控制信號Ictll經輸出驅動電路(706)增強驅動能力后，由控制監視端子輸出。高精度Α/D模塊(204)，連接控制輸入調理模塊(201)、反饋輸入調理模塊(202)和FPGA數字邏輯模塊(206)。它一方面接收高精度模擬信號控制輸入調理模塊(201)輸出的調理后的單端電流控制信號以及反饋輸入調理模塊(202)送來的調理后的一路高精度電流信號和兩路高精度直流高壓信號；另一方面接收FPGA數字邏輯模塊(206)送來的數字控制信號；在FPGA數字邏輯模塊(206)的控制下，將這些高精度模擬信號進行高精度Α/D轉換。本實施例中采用高精度模/數轉換集成電路芯片AD7760實現模/數轉換。AD7760是AD公司生產的一款高性能低功耗24位Σ- Λ模數轉換器，寬頻帶差分信號輸入，16位雙向并行數據接口，它的轉換速率最高可達2MSPS，并能根據需求靈活地通過軟件設置來改變過采樣因子(32Χ至256Χ)來提高信噪比。當輸出數據速率為625ΚΗζ時，動態范圍為109dB，信噪比(SNR)為106dB ;所需的外部時鐘信號最大值為40MHz。本實施例中對四路模擬信號進行模/數轉換的電路是完全相同的，每一路的轉換電路結構如圖8所示電平變換及穩壓電路(802)將7. 5V的電源電壓轉變為5V和2. 5V，為AD7760(801)提供穩定的電源供電和參考電壓；單端變差分信號電路(803)將要進行采集的信號由單端變為差分信號，并送至AD7760 (801)的信號輸入引腳；AD7760(801)與FPGA數字邏輯模塊(206)通過16位的數據線及其它訪問控制線連接，進行數據交換。用戶接口模塊(205)，連接FPGA數字邏輯模塊(206)，用于接收用戶的按鍵輸入信息，并通過LCD顯示器向用戶顯示系統的運行狀態、運行參數等系統信息，所述的按鍵·輸入可支持8個按鍵的輸入，所述的IXD顯示支持的點陣數為128X64。FPGA數字邏輯模塊(206)，連接高精度Α/D模塊(204)、用戶接口模塊(205)和數字信號處理控制模塊(209)，用于控制高精度Α/D模塊(204)的模/數轉換、讀取轉換后的高精度數字量、接收并調理用戶接口模塊(205)送來的按鍵信號、接收數字信號處理控制模塊(209)送來的顯示信息、驅動IXD刷新顯示內容以及響應數字信號處理控制模塊(209)對用戶按鍵數據和高精度Α/D轉換結果數據的實時請求。本實施例采用Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208作為核心器件來構建FPGA數字邏輯模塊(206)的電路。溫度輸入調理模塊(207)，連接數字信號處理控制模塊(209)，用于梯度放大器各關鍵部位的溫度信息的采集，將溫度探頭送來的溫度信號進行變換調理。本實施例采用LM35作為溫度傳感器。LM35是NS公司生產的集成電路溫度傳感器，它無需外部校準或微調，可以提供±1/4°C精度的常用室溫精度，可測溫度范圍-55 +15(TC。本實施例包含六路溫度信號的采集及調理，每一路的電路結構相同通過以運算放大器AD8672為主體構成的比例變換電路將LM35送出的信號變換成為(T3V的電壓信號，然后送至數字信號處理控制模塊(209)。通信接口模塊(208)，連接數字信號處理控制模塊(209)，用于通信信號電平的變換，為梯度放大器的遠程監控提供通信接口。本實施例設置了 RS232和RS485兩種通信接口。電路結構如圖9所示與數字信號處理控制模塊(209)相連的一路串行信號通過以Max232芯片為主體構成的電平轉換電路(901)后轉換為RS232協議的信號，然后連接到DB9規格的RS232通信端子；與數字信號處理控制模塊(209)相連的另一路串行信號通過以Max485芯片為主體構成的電平轉換電路(902)后轉換為RS485協議的信號，然后連接到DB9規格的RS485通信端子。數字信號處理控制模塊(209)，是梯度放大器控制器的數據處理及控制核心。其功能為接收反饋輸入調理模塊(202)送來的部分狀態反饋信號并對其進行16位精度的模/數轉換、接收FPGA數字邏輯模塊(206)送來的用戶按鍵信息和高精度模/數轉換結果、向FPGA數字邏輯模塊(206)發送LCD顯示信息、接收溫度輸入調理模塊(207)送來的溫度信號并進行模/數轉換、通過通信接口模塊(208)與遠程監控端進行信息交互、接收外部送來的同步以及使能等數字輸入信號、向外部送出同步以及使能等數字輸出信號、根據各輸入量通過控制算法計算各PWM信號的占空比并通過PWM輸出端子輸出，所述的狀態信號模/數轉換的通道數為8路，溫度信號模/數轉換的通道數為6路，所述的PWM輸出信號為8路。本實施例中采用德州儀器公司的TMS320F28335數字信號處理控制器芯片為主體來構建數字信號處理控制模塊。TMS320F28335 DSP是TI公司推出的一款TMS320C28X系列浮點型DSP控制器，它具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元。TMS320F28335共有16路的12位模/數轉換通道，本實施例應用其中8路來采集反饋輸入調理模塊(202)送來的橋臂電流信號IbrglA IbrglH，其中6路來采集溫度輸入調理模塊(207)送來的溫度信號；TMS320F28335共有3組串行通信接口(SCI)，本實施例應用第一組來實現RS232通信，應用第二組來實現RS485通信；TMS320F28335具有6組高分辨率脈寬調制(HRPWM)輸出，可以輸出12路HRPWM信號，本實施例應用其中的4組，構成8路HRPWM信號輸出；TMS320F28335通過配置可實現32位外部 接口，本實施例用其實現本模塊與FPGA數字邏輯模塊(206)間的快速數據交換，來傳遞高精度模/數轉換數據、用戶按鍵信息以及LCD顯示數據。盡管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，但應當清楚，本發明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
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理模塊(201)、反饋輸入調理模塊(202)、監視輸出調理模塊(203)、高精度A/D模塊(204)、用戶接口模塊(205)、FPGA數字邏輯模塊(206)、溫度輸入調理模塊(207)、通信接口模塊(208)和數字信號處理控制模塊(209);所述的控制輸入調理模塊(201)接收外部送來的差分電流控制信號IctlD+和IctlD-，輸出電流控制信號Ictll和Ictl3 ;所述的反饋輸入調理模塊(202)，接收來自傳感器的狀態反饋信號橋臂電流信號Ibrg、主回路電流信號Imain和高壓信號HV，輸出調理后的狀態反饋信號Ibrgl、ImainU Imain2、HV2和HVl ;所述的監視輸出調理模塊(203)接收電流控制信號Ictll、主回路電流信號Imainl和高壓信號HVl，輸出電流監視信號Imonitor、電壓監視信號Vmonitor、電流偏差信號Emonitor以及控制輸入監視信號Ictlmonitor ;所述的高精度A/D模塊(204)，接收電流控制信號Ictl3、主回路電流信號Imain2和高壓信號HV2等高精度模擬信號以及來自FPGA數字邏輯模塊(206)的數字控制信號，輸出高精度A/D轉換數字結果；所述的用戶接口模塊(205)接收來自操作人員的按鍵輸入信息及來自FPGA數字邏輯模塊(206)的顯示數據，輸出用戶輸入數據；所述的FPGA數字邏輯模塊(206)接收用戶輸入數據和高精度A/D轉換數字結果，輸出顯示數據、高精度A/D轉換數字控制信號和A/D轉換結果；所述的溫度輸入調理模塊(207)接收被測溫度信息，輸出溫度信號到數字信號處理控制模塊(209);所述的通信接口模塊(208)接收來自外部的通信輸入數據和來自數字信號處理控制模塊(209)的通信輸出數據，向外部輸出通信輸出數據、向數字信號處理控制模塊(209)輸出通信輸入數據；所述的數字信號處理控制模塊(209)接收橋臂電流信號Ibrgl、高精度A/D轉換數字結果、外部數字輸入信號、溫度信號以及通信輸入數據，輸出PWM信號、外部數字輸出信號和通信輸出數據。
2.根據權利要求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理模塊(201)，將接收到的差分電流控制信號轉換為單端電流控制信號，并對信號進行比例變換和濾波處理。
3.根據權利要求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理模塊(202)，將接收到的狀態反饋信號進行比例變換和濾波處理，所述的狀態反饋信號包含至少一路高精度電流信號、至少兩路高精度直流高壓信號以及至少八路普通精度電流信號，所述的高精度信號其精度不低于十萬分之一，所述的普通精度信號其精度不低于千分之o
4.根據權利要求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)的轉換精度不低于20位。
5.根據權利要求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LCD顯示器向用戶顯示系統的運行狀態、運行參數等系統信息，所述的按鍵輸入支持至少8個按鍵的輸入，所述的IXD顯示支持的點陣數不低于128X64。
6.根據權利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的FPGA數字邏輯模塊(206)接收數字信號處理控制模塊(209)送來的顯示信息、驅動IXD刷新顯示內容以及響應數字信號處理控制模塊(209)對用戶按鍵數據和高精度A/D轉換結果數據的實時請求。
7.根據權利要求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理模塊(207)，采集梯度放大器各關鍵部位的溫度信息，將溫度探頭送來的溫度信號進行變換調理，它至少包含六路溫度信號的采集調理。
8.根據權利要求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)，用于通信信號電平的變換，為梯度放大器的遠程監控提供通信接口。
9.根據權利要求I所述的梯度放大器控制裝置，其特征在于所述的數字信號處理控制模塊(209)將接收到的反饋輸入調理模塊(202)送來的部分狀態反饋信號進行轉換精度不低于12位的模/數轉換，將接收到的溫度輸入調理模塊(207)送來的溫度信號進行模/數轉換，所述的狀態信號模/數轉換的通道數不少于8路，溫度信號模/數轉換的通道數不少于6路，所述的PWM輸出信號不少于8路。
全文摘要
本發明屬于梯度放大器控制領域，提供一種應用于核磁共振成像系統的開關式數字化梯度放大器控制裝置，本發明包括控制輸入調理模塊、反饋輸入調理模塊、監視輸出調理模塊、高精度A/D模塊、用戶接口模塊、FPGA數字邏輯模塊、溫度輸入調理模塊、通信接口模塊和數字信號處理控制模塊。該梯度放大器控制裝置對于功率模塊的不同拓撲結構以及不同數字控制算法具有很強的適應性；能對電流控制信號和實際輸出電流信號分別進行高精度模/數轉換，不僅增強了梯度放大器所采用的控制算法的靈活性，而且使系統的安裝調試以及升級更加方便快捷。
文檔編號H03G3/20GK102857184SQ20121036680
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者王振松, 劉曉云, 陳武凡 申請人:電子科技大學