张礼群

厦门市口腔医院 设备科，福建 厦门 361003

基于FPGA芯片的根管扩大仪的数字频率计设计

张礼群

厦门市口腔医院 设备科，福建 厦门 361003

采用FPGA芯片开发根管扩大仪控制电路的数字频率计，使所开发的电路具有体积小，工作稳定可靠，故障率低等优点，具有推广应用的价值。

根管扩大仪；FPGA芯片；数字频率计；牙齿治疗

根管扩大仪是用于口腔根管治疗手术中根管扩大成型的一种电子设备。该设备主要由控制器、根管治疗手机和脚踏开关3部分组成。

1 根管扩大仪控制电路的组成框图

根管治疗仪的工作原理是：通过变速齿轮盘将高转速的马达变成根管预备手术所需的低转速，大扭矩状态，并通过反馈控制电路对转速和扭矩进行自动跟踪控制，以防止断针现象的发生[1]。

早期的根管治疗仪控制电路主要由单片机组成，主要控制根管治疗手机上电动马达的转速和转向。根管治疗手机马达的转速一般为1200～1600r/min，要求速度可调。随着电子技术的发展，FPGA芯片的推广应用，用FPGA芯片开发的根管扩大仪控制电路具有体积小，性能稳定，功能更多的特点[2]。

图1 根管扩大仪控制电路组成

根据根管扩大仪的工作原理可得根管扩大仪控制电路的组成框图，如图1所示。

目前根管扩大仪内部的马达均采用无碳刷电动马达，无碳刷电动马达的组成由转子、定子和控制电路3部分组成。

无碳刷电动马达的工作原理是：无碳刷电动马达的转子由磁钢组成，定子是绕组，控制电路的作用是采集电机转速的变化情况，并将采集到的信号送到转速调节装置中，接收转速调节装置输出的信号，自动对不同的绕组供电，产生旋转磁场，驱动马达以不同的转速旋转[3]。

根据电动马达的工作原理可知电动马达控制电路主要的作用是：采集电动马达转速变化的情况，然后产生相应的控制信号。利用数字频率计可以很方便地采集到马达转速变化的情况[4]。

2 用FPGA开发电动马达控制电路的数字频率计

根据两位十进制数字频率计的逻辑功能可知，两位十进制数字频率计应由带锁存功能的十进制计数器电路、测频时序控制电路，显示译码器和频率计顶层电路等4部分组成。两位十进制数字频率计的层次化结构示意图如图2所示[5]。

图2 测频控制电路组成

利用FPGA技术进行两位十进制数字频率计设计的步骤是：先分别设计底层的计数器电路模块，测频时序控制电路模块和显示译码器电路模块，再在频率计顶层电路中调入事先设计好的3个底层电路模块。

数字频率计的核心元件之一是含时钟使能和进位扩展输出的十进制计数器，用Verilog HDL语言编写两个十进制计数器的程序为[6]：

该程序通过编译后波形仿真的结果，如图3所示。

图3 计数器时序仿真

波形仿真的结果不仅显示出十进制计数器的功能，还显示出所设计的电路模块当输入信号R为低电平时，电路复位。当R为高电平，且EP和ET也为高电平时，电路为十进制计数器；当R为高电平，且EP和ET为低电平时，电路是锁存器，保存计数的数据不变。

通过波形仿真以后，将当前文件变成一个包装好的单一元件，并放置在工程路径指定的文件夹中备用[6]。

用相同的办法也可以设计测频控制电路和显示译码器，并将设计好的电路包装入库。

3 频率计顶层电路的设计

频率计顶层电路是用来连接底层电路的，在底层电路模块已经包装入库的前提下，用原理图编辑功能设计好的电路如图4所示[7]。

图4 测频控制电路组成

该电路通过编译以后，波形仿真的结果如图5所示。

图5 测频控制电路时序仿真

波形仿真的结果清晰地显示出，频率计电路在复位信号R的驱动下开始测频的工作。测频电路输入的clk信号周期是10ns，待测信号的周期是23ns， 1 μ s的测量时间内脉冲数应为44，频率计输出的信号a2b2c2d2e2f2g2和a1b1c1d1e1f1g1相等，都是0110011，该信号输入七段数码管，将显示数字44，所测信号的频率为44MHz，说明所设计的电路时序正确[8]。

4 根管扩大仪控制电路的总体设计和结论

根据图1的组成框图，可分别用上面介绍的方法设计转速调节装置，转向控制装置和保护信号设置电路，并将设计好的电路包装成一个元件后，利用顶层的控制面板电路将根管治疗仪的控制电路集成起来，并将设计好的电路下载到FPGA芯片上，接到机器的外围电路上，机器工作正常，说明电路设计正确[9]。

因为采用FPGA芯片完成总体电路的集成，使得控制电路较原来的电路具有体积小，工作稳定可靠，故障率低等优点，具有推广应用的价值[10-12]。

[1]张志君.口腔设备学[M].成都:四川大学出版社,2008.

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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

作者邮箱：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