（交通信息工程及控制专业论文）HIFU系统中的运动控制.pdf

北京交通大学颈士学癌论文 川f u 系统巾的运动控制 摘要 本文针对高强度聚焦超声( h i g hi n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u nd 嚣 秘) 谂疗系统熬定嫂辩嚣磷究该聚绞熬运动羧键。 本文采用“p c + 遴动控制器+ 伺服电机”的歼放式结构，组建一个 由主计算机和多控制器多伺服电机组成的分布式网络来实现本系统。 运渤控臻l 器采恁攀冀援系统。程选定圭磁e u 魏基磁上设谤实瑷 了电源模块、r s 4 8 5 串口通讯模块、r s 2 3 2 串黼通讯模块、驱动 模块、限位控制模块、编码器接口模块。 按照嚣要实现鹩霸缝鑫行测建避瀑垮议，协议内容琶掺参数设 置、状态获取、移动、运行、中断和清除操作等柏关通讯协议。 软件设计阶段，本软件采用了r t o s 的实时多任务设计恩想，将 程序分为r s l 4 8 5 通镪处理、r s 2 3 2 通擐处理、邂动控露l 模块等任务， 幂l 焉中断实现多任务编程。分剐编制了主程序翻各个中断暇务程序。 通过试验证明该遴动控制系统矮有成本低、扰干扰能力强、便于 扩充等傥点。该系统爨经拐步在h 狂哪系统中皮蠲，达到设计要求。 关键词：高强度聚焦趱声，运动控制，嵌入式系绕 l 塞交遂大学顼攀经论文 a 6 s 黝c f t l l i sp a p e rf e s e a r c h e dam o t i o nc o n t r 0 1s y s t e mo f _ 【l l eh i g h 妣s t e n s i t y 南c u s e du 1 缸a s o u n dm o d i c a ld e v i c e 。 勰砖弹e 豳gs 粕e 溆eo f 警c 十c 强晒l l 嚣+ s 煳o | o 囊黼s 爹警瑟 r e a l i z e d 嘲es y s t e mb ye s l a b l i s h n gd i s 嫡b u t e dn e t w o r km a d eo fm a s t e f c o m p u t e r ，m u l t i c o n t r o l e ra n dm u l t i - s e r v o m o t o r m o t i o nc o n t r o l l e ri ss i n g l e c h i ps ”t e m f i r s t ，m i c r o c o n t r o l l e ri s s e l e c 至e d ，拍e n ，黼sp a p e fd e s i 咎e ds e m e 矗m t i o nb l o c k ，s u c ha sp o w 嚣 b l o 馥r s 4 8 5s 醴鑫l 搬蕊n n i c a t i 。nb l o c k 。r s 2 3 2s e 菇纛e o 赫黼继c a t i o 珏 b l o c k ，l ，od r i v eb l o c k ，p o s i t i o n - l i m i tb l o c ka l l dc o d e ri n t e r f a c eb l o c k a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d i n go ft 】1 ef u n c t i o n ，c 0 栅u n i c a t i o np m t o c a l w a sp r e s e n t e d t h ep r o t o c 越i n c l u d ep a r a m e t e rg i v e ，s t a t ea c q u l r c ，m o v e ， r u f | ，i 疆艳黝p a n de o n l m a 砖e l e a t d u d n 誉也ed e s i g n 甜也es o f t w a r e r e a lt i m em u l t i - l a s kd e s i 孽娃 d e ao f r t o si sa d o p t e d t h e r ea r et h r e et a s k si nt h es o n w a r e t h e ya r er s - 4 8 5 c o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，r s 一2 3 2 m m u n i c a t i o np r o c e s sa n dm o t i o n e o n 枉e l 黼o d e l 。m u l i q 鑫s 袈i s 鑫c h i e v e db yi n 妇搬p m e c | l 臻i s 激，m 蠢鑫 p r o 晷a m a n di n t e r n l 辨s e r v l c ep r o g 隐ma r ed e s l g ， t h i sm o t i o nc o n 订o ls y s t e mi sp m v e dt ob ec o s 卜e f r e c t i v e ， a n t i - i n t e 啪r e n c ea i l de a s yt oe x p a i l db yt e s t t h es y s t e mh a sa l r e a d yg o t t e n i n i 垃a iu 辩i n 珏玎f us y s l 蝴a n ds a l i s 是c d 如ed e m a n d so f d e s i 萨e dc l 瓣n k e yw o r d s ：h m u m o t i o nc o n f m l ，e m b e d d e ds y s t e m l l 北京交通大学硕士学垃论文 第一章综述 1 1 项目背景 随着超声技术的进展，超声已从单纯诊断超声发展至治疗超声。 新一代超声治疗仪研制的成功，为肿瘤的局部治疗提供了一条崭新的 途径，开创了一种新的治疗方法。 高强度聚焦超声( h i 曲i i l t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d ，h 环u ) 是近年 来兴起的非侵入性治疗技术，该技术用于外科手术首先由l y l l l l 等于 1 9 4 2 年提出，并应用于神经外科手术研究。从五十年代起，对该项技 术的研究有了极大的发展。进入8 0 年代，经多次改进，功率加大， 定位精度提高，并配以现代的影像学技术( 3 d ) ，许多相关问题逐步 得到解决，该项无损外科技术也得到了较大发展。h 正u 技术已被当 作肿瘤治疗的一种重要手段加以研究。目前许多国家( 如美国、日本、 英国、法国、德国、挪威、芬兰等) 都介入了该技术的开发和应用研 究。我国虽然起步较晚，但是进展也较为迅速。 h i f u 利用超声产生高温使病灶部位产生凝固性坏死而达到治疗 的目的。近几年，h i f u 治疗肿瘤在临床上取得了较好疗效。由于超声 波对人体无辐射、无毒害，而且手术无创伤、无痛苦。治疗后无明显 副作用，不会造成内脏穿孔、出血等并发症，亦无免疫抑制作用。这 些都是手术和放疗无法相比的，所以受到人们的认可和欢迎，这项技 术得到快速发展。h u 技术的研究对恶性肿瘤的治疗具有重要的临 床意义。 1 1 1h i f u 技术的基本原理 如图1 1 所示，h 球u 技术的基本原理是：通过一定聚焦方式将超 北京交通大学硕士学位论文 声能量汇聚到病变组织的一个较小区域，使该区域内病变组织在高强 度超声作用下发生不可逆转的凝固性坏死，而该区域外的组织由于作 用强度低、时间短而基本无损。组织内超声聚焦形成的强度相对较高 的区域称为“焦区”( f o c a lz o n c ) ，焦区内组织在超声照射下形成的坏 死区称为“焦斑”( 1 e s i o n ) 。一般超声源为1 m h z 以上。 s k i ns u r l h c e i h f g e to r g a n 图1 1h 环u 治疗示意图 h i f u 技术对组织的损伤具有很高的精确性。研究表明：焦斑与 未受损伤组织之间有明显的分界线。这项技术的诱人之处在于：一定 强度照射下，如果辐照时间足够短，则组织内的热场分布与热扩散没 有关系，正常组织几乎不受影响。( 最好3 秒以内) 。这一点上区别于 其它的三维立体治疗仪器如y 刀等( 对靶区周围仍具有很大的损伤) 。 另外，除直接的杀伤效应外，h i f u 还可在一定程度上刺激机体对肿瘤 的免疫功能，抑制肿瘤播撒结节的生长。 h u 技术对组织损伤的物理机制主要包括：热效应、机械效应、 空化效应等。h u 技术的治疗原理是利用高强度超声聚焦产生的高 热效应使细胞内蛋白迅速出现凝固性坏死：通过气泡的强烈膨胀和萎 缩运动产生空化效应，使肿瘤细胞产生机械性破坏。h u 的作用机 制尚未完全明了，有待于作进一步的研究。 1 1 - 2h i f u 技术的优越性和局限性 h u 作为一种微损的有效的局部治疗手段受到普遍关注，该技 2 北京交通大学颐士学位论文 术既适用于治疗浅表组织，也可以治疗体内深部组织。h u 技术杀 死组织的优越性在于：1 强度高，辐射时间短，可靠性好；2 方向性 好，具有很高的精度：3 受大血管影响小，对大血管影响也小。能够 深入体内而不损伤正常组织，治疗无刨伤；4 治疗过程中，还可以通 过超声声影的改变，监测病灶。 虽然h u 技术具有很大优越性，但目前尚存在一些不足之处。 许多试验结果表明：h 刀可技术使用不当，可能损伤正常组织，少数 可产生皮肤的损伤。总之，目前h i f u 技术在许多应用方面尚不成熟， 需要多实验和技术支持，这也说明成像技术和定位技术在h i f u 技术 中占有非常重要的地位，每次治疗必须建立在对治疗部位组织结构进 行充分研究的基础上。 1 1 3h i f u 定位技术重要性 h i f u 治疗系统涉及医疗图像、高强度超声、运动控制、供水和其 它辅助设备。h 砸u 装置一般是出以下部分组成：功率发生源；b 超 诊断及定位装置；组合探头( 由治疗探头和显像探头组合而成。) ；组 合探头运动控制装覆：治疗床及声耦合装置。 由于组合探头运动控制装露能调整焦域在组织中的深度及进入 组织的方向，控制组合探头准确地定位目标区域的空间位置；并且由 上两节内容也可以看出治疗时的定位问题直接关系到治疗的效果和 病人的安全，所以作为实现h 正u 超声探头定位的运动控制系统是该 治疗系统关键部分之一。 1 2 f u 中运动控制研究现状 1 2 1 运动控制技术 运动控制主要用于机械传动装置的计算机控制，对机械传动装置 中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨 北京交通大学硕士学位论文 迹和规定运动参数完成相应的动作。运动控制技术包括轨迹控制、伺 服控制两大基本技术。是计算机、微电子、传感器与测试、自动控制、 电力电子和机电体化等技术综合应用的产物。 本文主要讨论伺服控制技术。 1 2 2 眦f u 中的运动控制 现有h u 系统的运动控制或者使用p l c 控制或者采用运动控制 卡。对于用p l c 控制的系统其模块每点成百上千元左右，且其体积大、 接线复杂，模块内部一般采用单片机控制。以d s p 为核心的运动控制 卡，插在计算机的总线插槽上，一卡控制多轴，采用集中控制，多轴 控制存在耦合，同步和协调起来较困难；同时存在成本高、系统抗干 扰能力弱、接线困难、不易扩充等问题，有待进一步改进。本文采用 分布式运动控制方法实现h 腰u 系统中的多轴控制。 早期的hi f u 系统运动控制设备体积大、功能少，难以保证能精 确地将焦斑定位于目标区和进行实时监测治疗而在临床应用中受到 限制。随着电子技术、计算机技术、网络技术等迅速发展，运动控制 系统也逐步完善。逐步从p l c 模块控制发展到嵌入d s p 芯片控制卡， 从仅有三维平动发展到三维平动加两维转动的控制，从集中式发展到 分布式，并将从独立的h u 系统发展到网络控制。 机械运动系统是h i f u 治疗设备的运动子系统，通过机械运动支 持肿瘤的定位和治疗。通过选用合适的运动控制系统获得精确定位和 有效治疗。 以往的h u 运动控制中，多轴伺服电机控制大都由插卡形式插 在计算机总线插槽上的运动控制器实现。这种运动控制器多采用如下 方案之一：( 1 ) 控制卡上集成p l c 功能，但控制算法和功能不能太复 杂，否则难以实现。( 2 ) 控制卡基于d s p 芯片和技术。电路设计简化， 通信能力强，伺服控制性能大为提高。 4 北京交通大学硕士学位论文 这种控制有如下特点：( 1 ) 多轴运动协调控制；( 2 ) 较高的位置 精度，很大的调速范围；( 3 ) 系统静差率小：( 4 ) 各关节速度误差系 数应尽量一致；( 5 ) 位置无超调，动态响应尽量快；( 6 ) 需采用加减 速控制。 采用以上结构控制方法已研制出部分样机并正在运用于临床。但 运动控制系统的抗干扰性、实时性、精确定位等还有待进一步提高。 今后伺服控制卡的发展趋势是采用运算速度更快的微处理器。 1 2 3h i f u 中运动控制存在的问题 目前，由于以d s p 为代表的高速高性能专用微处理器的出现和 p c 机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以d s p 芯片作运 动控制处理器，以p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式 嵌入p c 机，即“p c + 运动控制器”的模式。这样将p c 机的信息处理能 力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在 一起，具有信息处理能力强、歼放程度高、运动轨迹控制准确、通用 性好的特点。 1 2 4 主要工作 要做的主要工作是进行方案设计，二是控制器、电机等硬件的 系统集成，三是根据需求制定特定的通讯协议，四是编制应用程序， 给运动控制器发送相应的速度、位置指令，实现机电装置所需要的运 动功能。搭建以运动控制器为核心的实现运动控制的软硬件基础平 台，在这个平台上研究实现h 1 ，系统中对电机的运动控制。 1 3 论文内容和结构 基于上述研究中存在的问题，本论文将重点研究运动控制方案和 实现该方案运动控制的关键技术，主要研究内容如下： ( 1 ) 研究适用于该系统的运动控制结构。 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究实现该系统结构的方法，其硬件设计、软件设计和通 信协议。 ( 3 ) 实验验证该方法的可行性和优越性。 根据以上的研究内容，论文的总体结构和章节安排如下： 第一章绪论。介绍了运动控制和h u 中运动控制的现状和存在 的问题并提出本文要改进的关键问题所在。 第二章运动控制的总体系统结构。该章节从系统结构入手讨论 h 町中的运动控制并提出改进后的总体方案。 第三章硬件设计。介绍了各个功能模块的接口电路并给出测试 程序，另外还讨论了设计过程中需要注意的硬件设计上的抗干扰问 题。 第四章通讯协议。该章节针对r s 一4 8 5 总线联网的特点和本项目 需求的功能研究制定出一套适用于本系统的通讯协议。 第五章软件设计。本章节在正式软件设计之前需要整定运动系 统的控制参数。通过大量试验整定好参数后，进入本系统应用软件的 讨论。首先介绍了嵌入式系统及其软件设计，其次需要了解多任务并 行程序编程思想，之后讨论了本软件设计的多任务特色，最后讨论了 软件编程中的抗干扰编程。 第六章结论与展望。本章在总结试验结果的基础上展望该运动 控制系统和整个h u 系统。 以上的章节安排构成了本论文的基本结构，如图1 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图1 2论文结构和章节安排一 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章运动控制系统总统设计方案 2 1 运动控制系统结构分析 2 1 1h i f u 中普遍存在的运动控制系统分析 运动控制系统的控制方案一般有：单片机系统，专业运动控制 p l c ，p c + 运动控制卡，专用控制系统。 采用单片机系统来实现运动控制成本较低，但开发难度较大，周 期长。这种方案一般适用于产品批量较大、控制系统功能简单、有单 片机系统开发经验的用户。由于h 球u 系统运动控制的复杂性几乎 没有采用这种运动控制的h u 运动控制。 许多品牌的p l c 都可选配定位控制模块，有的p l c 本身就具有 运动控制功能( 如松下f p o ) 。这种方案一般适用于运动过程比较简单、 运动轨迹固定的设备，如送料器、电动焊机等。如果需要简单修改少 量运动参数，如速度、位移，可与工业人机界面配合使用。这种控制 方案对运动过程比较复杂、运动轨迹不固定的h 球u 系统就显得力不 从心了。 p c + 运动控制卡的方案随着p c 的普及越来越多，也是运动控制 系统一个主要发展趋势。这种方案一般用在运动过程、运动轨迹都比 较复杂，而且柔性比较大的设备。比如目前很热门的开放式数控系统 大多采用了这种方案。目前h u 系统的运动控制许多也采用该方案。 专用控制系统一般是针对专用设备或专用行业，比如西门子的车 床数控系统、铣床数控系统等。 “p c + 运动控制器+ 伺服电机”的开放式结构是机电产品的发展方 向，在这种结构中，计算机( p c ) 的主要功能是根据具体装置的运动 北京交通大学硕士学位论文 控制类型，优化指令形式，属于上层控制。而伺服电机是主要的执行 部件，具体完成运动控制。运动控制器就是根据上层计算机给出的指 令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服电机的运动。所 以运动控制器是计算机与伺服电机的连接桥梁。 现有h u 的运动控制大都采用“p c + 运动控制器+ 伺服电机”这 种结构，采用通用运动控制卡作为运动控制器，该卡插在计算机主板 的总线插槽上，利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件 实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层 软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位 置控制功能。这些功能能通过计算机调用实现电机的运动控制。 采用通用运动控制卡的h 疆u 运动控制系统结构如图2 1 所示。 这种运动控制采用集中控制方式，无论运动控制卡采用单片机、专用 运动控制芯片还是d s p 作为为主控芯片，一般都是插在计算机的总线 插槽中，利用计算机总线和电机控制卡通讯，一卡控制多台电机。该 结构不仅占用计算机的总线系统资源，而且占用软件资源，降低系统 响应的实时性。另外容易引起干扰，并且多台电机驱动器的多条连接 电缆都接到控制卡上，具体实施时引起接线困难。这种结构具有投入 成本高、距离有限、不能进行动态调试等问题。 图2 1 采用集中式控制的 玎f u 运动控制系统结构 电机1 随着自动化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺 北京交通大学硕士学位论文 服电机控制装置( 步进、交流、直流) 已越来越多地用于工业自动化 设备的控制。以上这种集中控制的相对封闭的h 瑾u 系统构成方式逐 渐显示出其容易受到高频超声探头信号干扰而不能正常工作的缺陷， 而且它已不能适应用户对设备开放性、互换性和扩展性方面的需要， 本文的运动控制方案就是在此情况下为解决该问题而提出的。 随着分布式系统的日渐发展成熟，利用微机和多个单片机构成小 型分布系统，在一定范围内是最经济可行的方案，其优越性和可靠性 逐渐突出，已被广泛采用。分布通信系统通常采用主从串行总线的网 络结构。h 珏u 技术也进入分布式控制系统，这样可以考虑组成一个 由主计算机和多控制器控制的多电机驱动器控制的分布式网络来实 现本系统。基于此，设计出如下拓扑结构的多轴运动控制网络，结构 如图2 2 所示。这将需要自行设计运动控制器。 图2 2 多轴运动控制网络结构图 由于单片机具有速度快、功能强、抗干扰性能好，温限宽和面向 控制等特点，运动控制器采用单片机系统。 由于人体内部组织不规则并且受骨骼和血管的限制，需要空间五 个自由度的联动系统来解决这个问题。同时，连续治疗方式还需解决 北京交通大学硕士学位论文 运动路径的问题，通过结合系统的机械特性和组织的生理特性优化运 动路径从而达到均匀有效的治疗。 另外，和已有的h u 运动控制系统对比，为了提高设备的快速 响应能力，采取如下措施：选用响应快的执行机构，用伺服电机代替 步进电机：尽可能减小运动体的惯性，选择转动惯量小的电机、负载 惯量折算到电机轴上的惯量不超过电机轴转动惯量的3 倍；提高传动 链的联接刚性，电机轴与运动轴直接刚性联结、用滚珠丝杠代替普通 丝杠、选用问隙小的减速器等。根据装置的运动和力学要求通过计算 综合考虑我们选用p a n a s o n i cm i n a sa 系列小惯量三相交流伺服电机 和驱动器，其型号分别为m s m a 0 2 2 a l g 和m s d a 0 2 3 a 1 a 。考虑到 本系统的定位要求采用位置控制方式。 下面根据该伺服电机自行设计运动控制器并开发应用程序。通过 对该电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹 目标。 2 1 2 论文中采用的运动控制系统结构 由于本医疗系统能否正常可靠运行直接关系到病人的安全，所以 系统定位的可靠性和准确性是本系统设计中需要严加考虑的因素。由 此，出于在提高系统抗干扰能力的同时又不失其灵活性的考虑设计本 运动控制系统。 本运动控制系统采用主从式控制结构，计算机作为上位主机用于 计算运动控制轨迹并通过r s 一4 8 5 串行总线发送运动控制指令给作为 下位从机的控制器，控制器通过驱动器控制电机转动带动传动装置实 现控制，装在传动装置后端的编码器反馈脉冲信号给控制器实现闭环 控制。本系统采用五轴联动运动控制方案实现空间三个方向的平动和 两个方向的转动。 控制系统原理框图如图1 ，参见此图分析本方案有如下特点：( 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 采用以单片机为核心的控制器，成本低且预测执行时间较易，容易满 足系统实时性的要求；( 2 ) 分布式的控制结构，比集中控制更灵活且 易于扩充；( 3 ) 采用r s 一4 8 5 标准实现上位计算机和下位单片机之间 的通讯，抗干扰能力强；( 4 ) 监视控制与实时控制相结合，增强系统 可靠性。( 5 ) 采用闭环控制使得系统控制精度高，反映速度快，稳定 性好，适应性强。 参见图2 3 分析本方案有如下特点： 计岖蚓净 1 u ； ：q ： 算 j ： ： ： 州 机 图2 3 控制系统原理图 2 1 3 主要内容和重点 本研究课题以对原有脏u 治疗系统中的运动控制改进为主要研 究内容。 ( 1 ) 采用低功耗处理器的电机伺服控制器的设计； ( 2 ) 基于r s 一4 8 5 的分布式控制结构设计，实现多个伺服电机协 调工作； ( 3 ) 整个运动控制系统实时状态监测与控制的软、硬件实现。 2 2 总体技术方案的特点 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1 控制器设计 以往的h u 运动控制多采用伺服控制卡插入计算机主机内，现 采用微处理器( 单片机) 代替伺服控制卡减少对计算机c p u 资源的占 用。各控制器通过4 8 5 总线实现与上位计算机的通信。由于微电子技 术的发展，现在的微处理器具有功能强大、高可靠性、低功耗、低成 本的特点。低成本的单片机相对于d s p 有相对直接的结构，预测执行 时间较易，容易满足系统实时性的要求。而d s p 一般不用动态特性。 就软件编程方面来说，单片机用c 或c + + 高级程序语言，而d s p 的 核心d s p 程序用汇编语言( 无高效编译器) ，其指令集既不直观也不 易使用且c 不适合典型d s p 算法，不便于程序开发和功能扩展。 另外，现有的h i f u 治疗机的运动控制系统采用的伺服控制卡主 要由d s p 完成计算，一块卡可同时控制三个轴，多采用三维移动探头 对病灶通过机械运动进行扫描治疗，并且有多种扫描方式供选择；出 于安全性和有效性考虑，高强度聚焦超声在皮肤组织表面的强度不能 过高，防止灼伤皮肤；超声的传播特性要求声柬传播的通路上不能有 骨骼或气体出现。这样就对超声组合探头的运动空问和姿态提出较高 的要求，以利于避开骨骼或敏感组织进行治疗。由于上述要求本方案 采用五坐标驱动，三个平动两个转动，实现多个伺服电机的协调控制 是本课题方案的一个特点。 2 2 2 分布式的控制结构 传统的h 正u 控制系统多采用集中式结构，通常由一台计算机通 过一个控制卡( 通常有一d s p 芯片) 控制三个轴( 三台电机) ，这样 的控制系统依赖性强且相互耦合，降低了系统的开放性和可靠性，增 加了功耗，即使不惜增加成本而增加控制卡的数量也难以完成多个轴 的同步协调运动控制。同时由于超声探头高频大功率的特性，对计算 北京交通大学硕士学位论文 机来说这样大的燥声源对其控制系统存在严重干扰。另外使用伺服控 制卡增加了接线的难度。 本方案采用分布式的控制结构。每个单片机控制器控制一个电机 运动，形成一个小系统，各个控制器问用r s 4 8 5 总线连接。采用这 种结构可以使控制系统实现硬件的模块化，通信的数字化，并且当发 生立即停机等紧急事务时单片机控制器可单方面动作，停止动作之后 马上报告给上位计算机，从而提高了系统的实时性和准确性。另外还 可降低上位计算机的负担，增强系统的开放性、可靠性，使得控制系 统可以完成以前集中控制方式难以实现的复杂的任务。 此外，分布式的运动控制系统结构还使得软件编程的灵活性大为 提高，可以采用结构化、模块化和面向对象的软件体系结构。下位机 控制器在控制伺服电机的同时，还可以完成一部分控制和轨迹插补任 务，分担了上位计算机的负担。上位计算机还可以通过总线及时获得 位置和转速的反馈信息，进行状态和姿态的补偿校正，从而提高了整 个系统的控制性能。 2 2 3 采用r s 一4 8 5 标准的通讯 分布式控制系统中选用何种总线结构，是决定控制系统性能的关 键要素之。r s 4 8 5 标准抗干扰能力强，传输速率高，传送距离远， 满足分布式多轴运动控制系统要求。 现场中常用的r s 4 8 5 总线上需要仲裁机制，挂接在r s 一4 8 5 总线 上的所有设备必须安排一个设备作为主设备，并为它编制软件来调度 其他设备的接受与发送，形成主从式总线网络。本方案上位计算机作 为主设备完成管理功能，下位各单片机实现控制功能，二者分工合作， 协调工作。 h u 实时控制系统中应用r s 4 8 5 串行总线，由于采用了总线拓 扑结构，极大地减少了实时控制系统中各分控制器的信息连线，由于 4 北京交通大学硕士学位论文 各控制器中部有微处理器，从而实现了h 礤u 实时控制系统中的分布 式控制，只要控制器中含有r s 4 8 5 串行通信接口，就可以方便地接 入整个系统中。这将使系统在智能化、结构化、模块化等方面得到了 很大提高。另外，各控制器传输速率可选择，控制器与总线间采用光 电隔离使系统具有很好的抗干扰能力，且总线单独供电增加系统可靠 性，所以即使身处h 匹u 系统中的1 m h z 、4 0 0 w 的高频大功率探头干 扰的恶劣环境，本方案预期能较好实现本实时运动控制系统。 2 2 4 监视控制与实时控制相结合 本方案将控制分为两层：监视控制层和实时控制层。上位计算机 处于监视控制层，对于运动控制实现管理功能，计算治疗动作数据， 动态监视治疗过程；下位各单片机处于实时控制层，对电机进行实时 控制，实时检测故障，精确地控制h i f u 探头的移动，并向监视控制 层传送实际运动的有关信息。上位计算机( 监视控制层) 与下位单片 机( 实时控制层) 通过4 8 5 总线交换数据，实现联合控制。利用监视 层和实时控制层各自的优点，分层完成各种功能，这样做不仅有利于 模块化，降低开发的复杂度，限制开发错误的扩散，有望获得理想的 实时控制性能，监视控制层和实时控制层协调工作，大大提高了控制 效率。 2 2 5 双闭环控制 最后值得一提的是采用插卡形式的h 口f u 系统的运动控制几乎都 是单闭环控制。本方法采用闭环数字交流伺服位置控制。驱动器和电 机本身形成闭环系统，控制器接收采集自电机轴负载后端的光电编码 器的位置信号，在控制器、驱动器、电机和负载之间构成闭环控制系 统。如图2 4 所示。这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且该 伺服系统还可以通过软件编程对机械传动上出现的误差进行补偿，达 北京交通大学硕士学位论文 到真正全闭环的功能，实现高可靠性的位置控制。 反馈2 图2 4 闭环控制图 采用这利- 结构使得系统具有更好的可扩充性，只要有r s 一4 8 5 接 口就可以方便的加入到本控制网络中，由于它采用开放化的技术，具 有维护、扩展、升级方便的特点。上位计算机可以根据需要协调各控 制器动作实现更加复杂的控制轨迹。另外本控制结构在实现多轴协调 控制方面主要依靠上位机软件算法，通过控制协议发送命令给单片 机，同时配合下位单片机软件程序完成多轴联动，修改和维护起来更 加方便易行，克服了以往运动系统性能品质主要依赖于运动控制卡好 坏，不易扩充的问题。 2 3 系统方案具体实现方法 为了保证上位计算机的高可靠性和使用便利，选用工控机并配以 触摸屏。 在本系统的机电装置中，实现运动控制的功能需要针对具体的装 置设计专用的硬件和软件。作为开发者而言，需要花大量时间研制底 层的由电机驱动器接口控制电路、控制器和p c 工控机通讯接口控制 1 6 北京交通大学硕士学位论文 电路等组成的硬件控制器和为实现功能固化的软件程序。本文自主设 计实现电机控制的控制电路板及其软件，根据系统功能要求制定通讯 协议并依此实现上位计算机和下位控制器的同步与通讯，实现系统协 调工作。以下重点介绍硬件、软件设计和通讯协议。 系统总线连接图如图2 5 所示。 运 图2 5 系统总体结构图 1 7 北京交通大学硕士学位论文 第三章硬件设计 本系统硬件主芯片采用单片机，在系统的硬件设计中，由于对系 统的及时性的要求不能降低，而大多数单片机的处理速度相对而言是 较慢的。随着单片机性能的提高，单片机系统设计中的一些硬件功能 软件化也是大势所趋。但同时，一日千里的芯片技术也为低成本的硬 件完成高性能的功能提供可能。让一种功能到底是通过硬件实现还是 通过软件来实现不能一概而论，应根据系统的不同而具体设计。总之， 应总体考虑，追求最高的性能价格比。 本系统硬件总体结构如图3 1 所示。设计中着重注意隔离问题和 抗干扰设计，这两个问题如果处理不好，设计出的控制器在现场强干 扰的环境下很可能存在很大问题甚至达不到要求而不可用，为避免此 问题在设计之初要格外注意，同时还需要做大量实验工作以保证其可 图3 】单片机控制电路接口 北京交通大学硕士学位论文 3 1 硬件接口电路设计 根据以上电路接口示意图，下面围绕m c u 对各主要部分接口电 路展开讨论。 3 1 1m c u ( 微控制器) 及其特点 考虑到m c u 的选用对系统功能实现的关键作用，本运动控制装置 的硬件系统设计选用a n n e l 公司的a t n l e g a l 2 8 单片机为主芯片开展系 统外围电路设计。首先介绍一下a t m e g a l 2 8 单片机。 3 1 1 1a t m e g a l 2 8 性能特征 特点 高性能，低功耗a v r8 位微控制器 先进的r j s c 体系结构 一1 3 3 个功能强大的指令大都是单指令周期 一3 2 8 通用工作寄存器+ 外围控制寄存器 一全静态操作 一1 6 m h z 主频下吞吐量高达1 6 m 口s 非易失性程序和数据存储 一1 2 8 字节系统可编程f 1 a s h ，可擦写次数1 0 0 0 0 4 k b 的e e p r o m ，可擦写次数1 0 0 0 0 0 4 k b 的内部s r a m 一高达6 4 k b 可选外部存储空间 一为软件安全设置的可编程l o c k 位 一系统内可编程的s p i 接口 j t a g 接口( e e1 1 4 9 1 标准兼容) 一根据j t a g 标准的边界扫描能力 一支持扩展的片上调试 北京交通大学硕士学位论文 一通过j t a g 接口可编程f l a s h e e p r o m ，f u s e s 和l o c k 位 外围特性 一2 个带有独立的预分频和比较模式的8 位定时，记数器 一2 个带有独立的预分频，比较和捕获模式的1 6 位定时，记数器 一带有独立片内振荡器的定时计数计数器 一2 个8 位p w m 通道 一6 个带有2 到1 6 位可编程的p w m 一输出比较模块 一8 通道l o 位a d c 一面向字节的2 线串行接口 一2 个可编程异步串行u s a r t 一主从s p i 串行接口 一带有片上晶振的可编程看门狗定时器 一片上模拟比较器 特殊微控制器特点 一带复位和可编程的电源检测功能( b o d ) 一内部检测r c 振荡 一外部和内部中断源 一六种睡眠模式：闲置，a d c 降噪，省电，掉电，标准，扩充标准 一软件可选时钟频率 一通过f u s e 可选的a t m e g a l 0 3 兼容模式 l ，o 与工作电压 一p o r 了a p o r t f 六组i o 端口，5 3 个可编程l ，o 线 一a t m e g a l 2 8 l ：2 7 - 5 5 v a t m e g a l 2 8 ：4 5 - 5 5 v 管脚配置图： 北京交通大学硕士学位论文 它有6 4 引脚p l c c 、t q f p 等多种封装形式，其管脚配置如图3 2 。 一一一一喜| l 喜 湫鬻潍g 釜瓣lg l l ；蚕垂詈垂蓍垂g 釜季季l p 刚 阳o i i p d q 嘲 丌嘲阼 x a m 瞰 i o c 斟棚1 ) p e 3 i o c 3 刚n t 4 p e ( o 翻p e 5 盯勒m ) p e d ( 1 c 朝- r r 7 ) p 日 c 鳓阳。 睇崎罔1 ( m o s o 嘲 ( m i s o ) 甩3 i 。c o ，p b ( o c l j 嗽 f o c l b ) 尸b 6 1 毛2g ；28 暑盆嚣葛2 9 鬲8 2盯 磬竭鞭誉辫 g已e 苍置 r 舶岬) p m c x ) p 岫珊) p m d 6 p 7 ) 开岫 p c 7 ( 1 5 ) p 【 哪 p c 5 雌1 3 ) p c c a l 2 ) p i a ”) 户c 2 ”1 0 p c c 铆 p c o l 8 ) p g l 两 阳。丽) 图3 2m e g a l 2 8 管脚配置图 概述 a t m e g a l 2 8 是一款基于a 、佩扩充s c 体系结构的低功耗c m o s 的 8 位微控制器，它通过在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每删z 可实现l m i p s 的处理解力，这使得设计者可以优化功耗与速度之间的 矛盾，a v r 核为3 2 个通用工作寄存器与丰富指令集的组合3 2 个寄存 器全部直接地与运算逻辑单元( a l u ) 连接这使得可以通过在一个时钟 周期内执行一条指令来访问到两个独立的寄存器这种组合机构具备 的代码效率比完成同样处理能力的常规c i s c 微控制器要快十倍，指 令周期最短仅为1 2 5 n s 。该器件的制造运用了a t m e l 公司的高密度非 船2卅耵筠舛萨再r羁母高8牲高&树瓦品 o -畸- 3 4 5 6 7 8 9仲伦竹铝像_ 北京交通大学硕士学位论文 易失存储器技术，芯片内可下载的f l a s h 存储器可以通过s p i 串行 接口、通过通用的非易失存储器编程器或通过构筑于a v r 核上的片上 b o o t 程序对程序存储器进行系统内的重新编程。b o o t 程序能用任意接 口将应用程序下载到用户f i a s h 存储器中。当用户f i a s h 区被升级或进 行读写操作时b o o tf i a s h 区中的软件将继续运行。通过在单一芯片内 将一个增强性能的r i s c8 位c p u 与可下载的f l a s h 结合使得 a t m e l 的a t m e g a l 2 8 单片机成为适合于许多嵌入式控制应用的一种具 有高度灵活性和低成本解决方案的高效微控制器。a t m e g a l 2 8a v r 的 全套编程和系统开发工具包括：c 编译器，宏汇编器，程序调试器 仿真器，系统在线仿真器和评估包。 3 1 1 - 2a t m e g a l 2 8 外围电路设计 控制装置都通过各自m e g a l 2 8 的u s a r t o 组成r s 4 8 5 总线网 络与上位机通讯接收控制指令控制电机运转。 m e g a l 2 8 有两个u s m 江接口，设计u s a r t l 为r s - 2 3 2 串行接口 直接和电机驱动器通讯读取电机和驱动器状态或修改其参数，从而增 强了系统自动化程度。 电机位置控制方式下，使用m e g a l 2 8 的九个位i ，o 口软件设为输 出方向作为控制开关量输出，用集电极开路控制驱动器的九个输入信 号：指令脉冲输入禁止、计数清零、伺服一o n 、p 运行第2 增益选择、 指令脉冲分频选择、控制方式选择、报警清除、c c w 驱动禁止、c w 驱动禁止。使用m e g a l 2 8 的六个位i o 口软件设为输入方向作为状态 开关量输入，接收驱动器的六个输出信号：伺服准备好、伺服报警、 位置到达、机械制动释放、转矩限制中、零速检出。 该控制装置采用p b 4 、p b 5 作为脉冲和方向控制信号，用p e 5 、 p e 6 、p e 7 接收增量式旋转编码器反馈的a 、b 、z 相脉冲信号。 a 仃n e g a l 2 8 外围电路图如图3 3 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图3 3a t n l e g a l 2 8 外围电路图 3 1 2 通讯接口电路 3 1 2 1r s 一4 8 5 总线接口电路 r s 4 8 5 标准作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业 界应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一 对双绞线上进行多点、双向通信、它所具有的噪声抑制能力、数据传 输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。 本文r s 4 8 5 接口芯片采用最小上升时间比较长( 6 6 7 n s ) 的 m a x 3 0 8 0 ，选择该芯片可以减少总线上的反射电压。同时该芯片带故 北京交通大学硕士学位论文 障保护，它会在总线开路、短路和空闲情况下，使接收器的输出为高 电平，确保总线空闲、短路时接收器输出高电平是由改变接收器输入 门限来实现的。另外，与m c u 连接的信号加高速光电隔离器件。以 下介绍r s 4 8 5 接口标准和应用中提高r s 4 8 5 网络可靠性的有关问 题。 r s 4 8 5 接口标准 r s 4 8 s 标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向( 半双工) 通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传 输距离和宽共模范围的通信平台。 差分驱动传输原理 差分驱动传输不像直接电缆传输那样应用广泛。它需要更多的导 线，使得传输距离大大加长，同时支持超过l m b 的传输速度。差分 驱动传输接口因固有的抗噪声能力，所以能将更快的信号传到更远的 距离。差分传输原理是将极性相反的一对信号( 一个信号和它的反相 信号) 送到两根绞在一起且路径相同的导线上。两根导线相互包裹可 减小干扰。接收端根据两根导线电压的差值来决定信号的状态。如果 干扰信号影响了电缆，那它的噪声信号将会加入到两根导线上，而这 并不会影响检测到的差值。如图3 4 。 r 一一u f rb f 一 一 - 一 一+ 1 1 f 一 一1 一 f ，r 竹_ 一1 一 1 一， 一 fv 1。、_一一一 3 4 差分传输和抗噪声 2 4 北京交通大学硕士学位论文 图3 4 中( + s + n ) 一( 一s + n ) = 2 s ，线路接收器利用类似的技术 来计算a b 。这样线路传输引入的噪声在接收端都被抵消。 r s - 4 8 5 利用此技术的嵌入式接口在连接时可有超过一个的发送 或接收端，因而增强了功能，且可以支持多设备通信间的主 ( s i n 百e 锄a s t c r ) ，多从( m u l t i s l a v e ) 或者多主0 讧u l t i - m 嬲t 哪模式。r s - 4 8 5 因其良好的抗噪声性能和对多设备连接的支持而广泛用于工厂场地 的网络。 节点数及半双工和全双工通信 所谓节点数，即每个r s 4 8 5 接口芯片的驱动器能驱动多少个标 准r s 4 8 5 负载。根据规定，标准r s 4 8 5 接口的输入阻抗为1 2 k q ， 相应的标准驱动节点数为3 2 。为适应更多节点的通信场合， m a x 3 0 8 0 m a x 3 0 8 9 的输入阻抗设计成l 8 负载( 9 6 kq ) ，相应 的节点数可增加到2 5 6 。 故障保护 故障保护技术是近两年产生的，一些新的r s 4 8 5 芯片都采用了 此项技术，如s n 7 5 2 7 6 、m a x 3 0 8 m a x 3 0 8 9 。 本设计中用到的m a ) ( i m 公司的m a x 3 0 8 0 系列r s 4 8 5 接口将接 收门限移到2 0 0 m v 5 0 m v ( 即输入灵敏度为5 0 m v 2 0 0 m v ) ，这样一 来，差分接收器输入电压u a b 一5 0 m v 时，接收器输出逻辑高电平； 如果u a b 2 0 0 m v ，则输出逻辑低电平。当接收器输入端总线短 路或总线上所有发送器被禁止时，接收器差分输入端为0 v ，从而使接 收器输出高电平。这样不但省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短 路情况下的失效保护问题。 接地和瞬态保护 尽管是差分传输，对于r s 4 8 5 网络来讲，一条