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基于单片机的MRI仿真脉冲发生器的设计
摘要:在功能磁共振实验设计中，需要利用脉冲发生器模拟磁共振设备的扫描脉冲以实现精确的时间控制。本文提出了一
种基于单片机PIC16F877的MRI仿真低频脉冲发生器设计方案，用于需要精准时序的功能磁共振实验设计。本装置的核心
部分是单片机PIC16F877，通过单片机的软件来产生不同频率和占空比的脉冲波。通过选择开关来实现脉冲周期和占空比
的调节；同时用数码管LED显示脉冲的相应周期。由此装置得到的脉冲幅度为5V，可调周期范围是0.5s~8.0s，精度为0.1s。
占空比有20%、30%、40%、50%4种可调。这种MRI仿真脉冲发生器使用简单方便,产生的低频脉冲精度高并且稳定性好，能
很好的模拟功能磁共振实验中需要的脉冲信号。
关键词:单片机;脉冲发生器;磁共振;模拟
1引言
磁共振成像(MRI)技术是利用原子核在磁场内共振所产生
信号经重建成像的一种成像技术。磁共振成像技术不仅能提供
体内组织器官的形态学信息，而且能提供诸如组织代谢等多方
面的为医学临床和科研所十分重视的生理信息，是一种十分重
要的医学信息检测手段。功能磁共振成像是以反映器官功能状
态成像为目标的磁共振成像技术。在功能磁共振成像技术中需
要精确脉冲时序，因此有必要研究脉冲序列发生器来模拟它所
需要的这种脉冲。
目前脉冲序列发生器的装置很多，但是多是以硬件方式来
实现的，长期以来都是由模拟电路构成的。由这类仪器发出的
脉冲信号,在高频范围内其频率稳定度高,可调性好。然而，在
磁共振成像中通常需要用到低频脉冲信号来控制实验。由模
拟电路生成的低频脉冲性能不能令人满意，同时此类装置体积
大、操作复杂，使用起来很不方便。利用单片机程序设计方法产
生波形,其频率低限几乎无限制、稳定性好,而且其装置体积小，
频率幅值控制可直接由键盘输入使用方便,无需进行其他任何
调节。
本文介绍一种以单片机PIC16F877为核心的MRI仿真脉
冲发生器。该装置操作简单、使用方便，通过选择开关可以调节
输出脉冲的频率和占空比。得到的脉冲精度高并且稳定性好，
能很好的模拟功能磁共振实验设计中需要的脉冲信号。
2硬件设计
硬件设计基本原理如图1所示。
整个电路以单片机PIC16F877为核心，选择开关与单片机
相连来控制输出脉冲的周期和占空比，数码管LED用于显示输
出脉冲的周期，脉冲从单片机的RA0口输出。
PIC16F877是美国Microchip公司生产的产品，PIC16F877
具有性能完善、功能强大、开发方便以及人机界面友好等突出
优点。PIC16F877的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。
PIC16F877采用独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据
总线和指令总线分离，从而大大提高了CPU执行指令的速度和
工作效率。PIC16F877采用CMOS结构，使其功率消耗极低。
PIC16F877的I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可
以驱动多达20—25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二
极管LED、光点耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱
动，这样就可大大简化控制电路。
本装置中单片机PIC16F877的RB0、RB1、RB2、RB4、RB5、
RA1、RA2、RA4、RA5作为输入口与9位选择开关相连，通过控
制选择开关来控制输出脉冲的周期和占空比。单片机读取这些
口的值，然后控制RA0口输出相应频率和占空比的脉冲，同时
通过C口和D口来控制数码管显示相应的周期。一般单片机并
不具备直接驱动数码管显示的能力，I/O端口带负载能力是非
常有限的；而PIC16F877具有较强的端口驱动能力，对一般数
码管完全可以直接驱动。具体电路如图2所示。
电路工作时，用户根据需要只要通过选择开关就能控制脉
冲的输出频率和占空比，可以通过LED的显示知道输出脉冲
的周期。选择开关为9位，前7位用于控制输出脉冲的周期，输
出脉冲的周期有128种可调。选择开关的后两位用于调节输出
波形的占空比，设计了占空比分别为20%、30%、40%、50%的脉
冲波。
3程序设计
脉冲的产生是由单片机软件来实现的，软件流程如图3
所示。
由于同时用了单片机的B口和A口作为输入端口，读取输
入值的时候就把各脚的数相加得到十进制数M，然后单片机通
过判断M的值来控制输出波形的周期。考虑到实际低频应用中
常用到的范围，现只设计周期为0.5s~8.0s的脉冲波，周期的变
化为0.1s。读取周期信息部分程序代码如下：
pingyin.cn
BTFSS PORTB，5；判断RB5口的信息
ADDLW 10H
BTFSS PORTA,1；判断RA1口的信息
ADDLW 20H
读取RA4和RA5的信息作为占空比调节的信息，程序代
码如下：
MOVLW 00H
BTFSS PORTA，4
ADDLW 01H
BTFSS PORTA，5
ADDLW 02H；从占空比调节输入端口RA4和RA5
读取占空比的调节信息
MOVWF 25H
脉冲从单片机的RA0口输出，脉冲输出以及波形的周期和
占空比控制程序代码如下：
SCG
BSF PORTA,D；输出高电平
LOOP
CALL D10MS
DECFSZ 22H，F
GOTO LOOP
DECFSZ 26H，F
GOTO LOOP；按占空比信息控制高电平的输出时间
GOTO SCD
4总结
由于在功能磁共振成像实验中需要精准的脉冲序列，本文
设计了一种以单片机PIC16F877为核心的MRI仿真脉冲发生
器。该装置操作简单、使用方便，通过选择开关可以调节输出脉
冲的频率和占空比。从该装置得到的脉冲精度高并且稳定性
好，很好的模拟了功能磁共振实验中需要的精准时序。现只设
计了周期为0.5s~8.0s的脉冲序列，周期的变化为0.1s，也就是
只用到了76种变化。脉冲的幅值为5V，精度在周期为0.5s时
高达0.5ms。这里用选择开关来控制占空比，也可以通过修改单
片机的程序来得到不同占空比的脉冲波，还可以扩展选择
开关的位数与单片机相连来扩展频率和占空比的调节范围。整
个装置具有操作方便、结构简单、精度高、稳定性好和性价比高
等特点。当然本设计仅仅只是研究了功能磁共振实验中需要的
脉冲序列的低频范围，对于高频率范围还有待进一步的研究。
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