（测试计量技术及仪器专业论文）基于can总线的血管造影机运动控制系统设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，对医疗仪器和保健设备提出了越来越 高的要求，一种专门用于心脑血管疾病诊断和治疗先进医疗设备数字减影血管造影 机受到了各大医院的欢迎，然而这种先进高端设备多数都由国外进口，价格昂贵。为了 满足国内市场的大量需求，对血管造影机这种介入式诊断治疗设备的研究和开发势在必 行。 数字减影血管造影机的开发设计主要包括影像采集，图像处理和运动控制部分，本 论文着重介绍数字减影血管造影机运动控制系统设计。为了同时实现血管造影机运动控 制系统的开放式通信和分布控制，将c a n 总线应用到运动控制系统当中，提出了完整 的设计方案。详细地介绍了c a n 总线的物理层通信机制，c a n 通信协议及高级应用层 c a n o d e n 通信协议，描述了整个运动控制系统的结构和工作原理，设计了下位机各智 能节点硬件电路及上位机与下位机的通信接口电路。工作站作为上位机起到总体监测和 控制的功能，通过c a n 总线实现与下位机各智能节点之间的数据通信，获得下位机智能 节点的采集信息，进行数据处理，向执行节点发送控制命令等。下位机包括系统位置信 息反馈节点和各轴运动控制执行节点，进而构成了一个完整的多轴总线分布式运动控制 系统。整个系统完成了调试，调试结果表明，硬件电路简单可靠，系统达到设计要求， 运动控制系统准确，快速，稳定。 关键词：血管造影机，c a n 总线，分布式运动控镧，直流伺服放大器，n c 单片机 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 a n g j o g r a p h ym a c h j n e s m o t i o nc o n t m ls y s t e md e s i g nb a s e do nc a nb u s a b s 仃a c t a j o n g 喇出t | l ed e v c 】o p m to f c 0 曲缸ye n o m j ca n dt l l ej l l l p f o v eo f p e o p l e s s t a l l d a r | d o fl i v i n g ，h a v eb r i n gf b r w a r dm o 豫r e q l l i r e sf o rm c d i c a li n s t n 】l e n ta n dh 嘶hp r o t e c t i v e e q u i p i n e n t ，o n ek i n do fm e d i c a e q l l i p 】f i l e me s p e c i a l l yf b rc 盯d i ov a u l a rd i s e 硒en a m e d d i g i 协ls u b t r a c t j o na n g i o 脚h yi sp o p i l l a r 锄o n gh o s p i t a l s ，b u tt l l i sk i n do fl l i g l ll e v e l e q u i p | 1 1 e ma l i i l o s ti n l p o n ，s p e c i a le x p e n s i v e s oi no r d e rt o 龟l n “t 1 1 eh o m e m a k e r ，t 1 1 e s e a r c ha i l de x p l o i t 撕o no fd i 百t a ls u b 昀c t i o na n 西。攀翟p h yi si m p c 枷v el m d e rt h e s i n l a t i o n 1 飞ed e s i 印o f d i g i t a ls u b t m c t i o na i l g i o g f a | p h ym o s n yi n c l u d 鼯t l l e 协融p 矧警o f 锄矗砻6 c o l l e c t i o n ，i l l l a g ep m c e s s i l l g 卸dm o t i o n 鲫曲1 t i l i sp a p e r 啪p h 躯i z e st l l ed e s i g no f m o t i o n c 咖js y s t e m i i lo 妇t or e a i i z e0 p e l l i n gc o r r e s p o n d e l l c ea n dt l l ed i s t r i b u t i o n a lc o n t r o l s i m u l t a l l 。o l l s l y ，a p p l y i n gc a nb u si nn l es y s t 咖o f l o t i o nc o n 嘶lo f 觚g i o 鲫h ya l l d 嘶n g i n go u t l ew h o l ed e s i 印删e c t t l l i s 枷c l eh 勰i 曲- o d u c e dt h en h y s i c a l1 a y 盯 c 0 舳u 1 1 i 硎n l c c 枷s mo fc a n b l 强，c 葭nc o m m l l l l i c 撕o np r o t o c o l 锄d1 1 i 曲a p p l i c 撕o n l a y e rc o 埘【1 1 1 l | l l i c a t i o np r o t o c o lc a n o 】崩1p r o t o c 0 1 d e r i b e dt h e 鼬r i l c t l l r eo fe m i r cm o t i c o l n r 0 1s y s t 锄a n d 面n c i p a lo f w 说k ，d e s i g n e dt i 坞s l a v e dn o d e sa n dt 1 1 ej m e r f a c eh t w e e nt h e m a 姗卸ds l a v e s w o r k s 伽o na c t s弱t h em a s t e ri n s 础ga l l d 咖t r o l l i n gi l la l l ， c o r 佗s p o n d i n gw i 也s l a v en o d e st b r o 吣g hc a nb l 硌，g e tt l l ec o l l e 曲c di i l f o n n a t i o no fs l a v e d e s 锄dd a 协p r o c e s 咖岛s 朗tc o 删啪n dt oe x e c u t i v en o d e s s l a v e si l l c l u d et 1 1 en o d eo f s y s t 锄p o s i t i i n f o n n a 矗o nf d b 牡ka i l dv a r i o u sa x e sm o v 锄e n tc 枷e so mn o d e s ，锄dm 衄 c s t i t i l t e do n em u m p l es p i n d l em a i nl i l l e 够p cd i s 耐b u t i o l l a lm o t i c o 曲吲s y s t e i n c o m p l e t e t l l e 既i t i r es ) r s t 锄d e b u ga n dt t l ed e b u g 豫s u ni n d i c a t e d 也a th a r d w 甜ec i r c i l i tb r i e f 锄dc r e d i b l e ，t 1 1 es y s 呦o b t a i nt 1 1 ed e s i g nm q t l i 心，t l l em 嘶c o m r o ls y s t e mi sp r e c i 辩，自s t 锄d 咖a d y k e yw o r d s ：蛐g i o g r a p h ym a c h i n e ，c a nb 砒，d i s t r i b u 矗蚰叠lm o d o nc o n 打o l ，d cs e w o a m p 瑚衙，h cm i 啪c 蚰仃0 盯 一i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 魏獬眺珥丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：群导师签名高白盟日期：2 垒叫 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 数字减影血管造影唧g i t a ls u b t r a 而a n 百o g m p h y 简称d s a ) 是8 0 年代兴起的，利用 x 射线机摄取的图像信号，经过计算机系统的分析处理，去掉骨骼、软组织等影像，只保 留血管影像的一项医学技术【l 】利用这种技术研制成的血管造影机与常规血管造影机相比， 可大大降低对病人使用造影剂的浓度和剂量， 疼痛、心肾负担加重以及其它严重的并发症； 避免或减少由造影剂引起的周围血管痉挛、 所需要的照射剂量也比常规血管造影小，而 且操作简便，病人反应小，应用计算机进行图像处理、变换、增强，可以提高图像清晰度， 反复观察，便于诊断。 d s a 是血管造影诊断及介入治疗的专用血管造影机，临床应用广泛，适用于很多疾病 的诊断和治疗。如：心、脑、肾及四肢血管的造影，动静脉溶栓，支架置入，全身各部位 原发肿瘤及转移瘤的介入化疗，子宫肌瘤及盆腔大出血的栓塞，脑动静脉畸形栓塞等。尤 其是冠状动脉狭窄支架置入术、永久性心脏起博器植入术、先心病封堵术、二尖瓣狭窄坏 囊扩张术等效果显著。在心血管手术过程中可进行图像的实时回放、数字电影采集、心血 管的测量及冠状动脉血流量的评估，在脑血管及外周血管手术过程中还可进行病灶路径指 示1 2 】。 随着国民经济的发展和人们生活水平的不断提高，对医疗仪器及保健设备提出了越来 越高的要求。因此这种专门用于人体心、脑血管疾病诊断和治疗的先进数字减影x 射线血 管造影机越来越受到人们的欢迎，不久的将来将成为各大医院和中等规模的医院必备的医 疗诊断设备。然而现在这种设备高端机基本上都从国外进口，g r 飞利浦、西门子等国际 巨头控制了该产品大部分的世界市场。但其价格昂贵，使一般医院望而生畏。据统计，这 种设备国内市场每年的需求量为8 0 0 台左右，这其中多数是国外进口产品，包括一些二手 设备，还有一部分为国内生产。进口设备价格昂贵，根据配置不同售价一般在6 0 0 1 5 0 0 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 万元之间。国内现有产品品种单一，功能简单。基于这种国内国际形势，为了满足国内市 场的大量需求，国内对x 射线血管造影机这种介入式诊断治疗设备的研究和开发势在必行。 1 2 血管造影机运动控制系统的特点 血管造影机的典型结构为c 形臂结构，其外形结构如图1 1 所示。血管造影机的运动 控制系统功能为控制c 臂沿多轴方向运动，对病人进行不同方向上的旋转扫描得到病变的 位置及病变部位与周围组织的关系，为手术提供路径参考。 。、l ，一 ll 釉 图1 1 大c 臂的外形结构 f i 9 1 1f 叫n a l 蚰t 咖0 f ca 佗 i i s h i f t 工作过程中c 臂支架进行快速旋转的同时，球管发射出x 射线焦点在同一平面内的四 周运动，增强器则在支架的另一端做相反方向圆周运动接收图像信号，c 臂通过多个轴方 沈阳工业大学硕士学位论文 向的运动，对病人进行断层扫描和角度扫描能得到立体效果的病变部位的旋转图像，对于 观察血管结构的立体关系十分有利。 为了达到良好的造影效果，血管造影机的运动控制系统要求f 3 】： ( 1 ) 通过大c 臂的旋转要求能获得不同角度的多维空间血管造影图像，增加影像的 观察角度，能从最佳的位置观察血管的正常解剖和异常改变，提高病变血管的显示率。 ( 2 ) c 臂的转动还要满足血管造影时对各种复杂投照角度的需要，例如在冠脉介入 ( p c i ) 、射频消融( r f ) 等高要求的多角度投照中要求c 臂转动灵活，使分叉病变、开 口病变充分显露。 ( 3 ) 作为医疗仪器，安全性可靠性是医疗仪器研发的重要指标。为了病人的身体健康 以及生命安全，要求大c 臂各方向的旋转运动要实时性好，能及时的反应医生的操作，定 位准确，最突出的特点是在运动过程中如果发生碰撞，要能立即停止，以免对病人造成身 体上的伤害。 综上所述c 臂的运动控制在血管造影机的研究过程中有着不容忽视的重要地位，精确 控制c 臂的转动方向和速度是快速，准确的实现造影，完成准确诊断和治疗的关键。 1 3 血管造影机运动控制系统的发展 作为医疗仪器最重要的一点要求安全可靠，血管造影机的运动控制系统也不例外，既 要求能够快速进行图像采集实现诊断，并且在运动过程中c 臂灵活旋转，不会造成挤压病 人或通信错误之类的问题，这就要求血管造影机运动控制系统各功能模块之间有一条安全 可靠的信息通道。 早期的血管造影机c 臂运动通常采用分立器件的开关控制方式，因为要传输的信息量 庞大，因此布线复杂，线路繁多，外形结构比较笨重，c 臂的旋转速度慢，不能及时的反 映操作盒上医生的控制动作。随着现场总线技术的发展，受到欧洲各国普遍欢迎的c a n 总线引起了血管造影机开发者的注意【4 1 。c a n 总线的开发最初应用于汽车行业，因其具有 抗干扰能力强，传输速度快，稳定，可靠，实时性好等特点受到了广泛的重视。o 、n 总线 的加入恰恰满足了血管造影机运动控制系统各功能模块之间对数据通信的要求【5 l 【6 】： 一3 基于a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 ( 1 ) 各功能模块之间可以随意进行数据交换，要求通信网具有多主性质； ( 2 ) 通信应能广播式进行，以便发布同步命令或故障报警： ( 3 ) 简单经济的硬件接口，通信线路应该尽量减少； ( 4 ) 抗干扰能力强，因为x 射线管可以瞬间发出高能量，产生很强的干扰信号； ( 5 ) 可靠性商，能自动进行故障识别并自动恢复。 因此，采用c a n 总线完成血管造影机各运动轴的分布式控制，实现运动控制系统中 检测和控制执行单元之间的大批量的信息通信成为当前的主要趋势。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 确定基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计方案，并进行论证： ( 2 ) 完成位置信息反馈节点和运动控制执行节点电路设计，制作p c b 板； ( 3 ) 采用p l a b 编译环境编写位置信息反馈智能节点应用程序，实现其数据采集功 能以及与上位机的通信： ( 4 ) 采用v i s u a lc + + 编译环境编写上位机控制软件，实现整个系统的总体监测和控制； ( 5 ) 完成系统调试。 沈阻工业大学硕士学位论文 2c a n 总线介绍 2 1c a n 总线通信机制 c a n 是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；通 信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达l m b p s ；c a n 总线通信接口中 集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填 充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作；o 蝌协议的一个最大特点是废除 了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码【h 。采用这种方法的优点可使网络 内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 l 位或2 9 位二进制数组成，因此 可以定义2 ”或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接 受到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要：数据段长度最多为8 个字节，可满足 通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总 线时闻过长，从而保证了通信的实时性；o 、n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处 理功能，保证了数据通信的可靠性。 c a n 是一种基于广播式的网络通讯机制，广播通讯依靠报文o “e s s a g e ) 的传送机制来实 现，因此c a n 并未定义站及站地址，而仅仅定义了报文，这些报文依靠报文标识符o d 酬矗日) 来进行识别，一个消息报文标识符在一个网络中必须是唯一的，它不但描述了某一报文的 意义，而且还定义了报文的优先级，当很多站都在访问总线时，优先级是很重要的，c a n 是通过报文的标识符来决定报文的优先级的啦毋。 发送的报文都要和其它的不太紧急的报文进行优先级的比较，在系统设计中，报文的 优先级体现在写入报文标识符的二进制值，这些值不能被动态的改变。标识符中的值越小， 其报文的优先级越高。在c a n 总线中总线访问冲突问题是依靠对每个企图发送数据的站 的标识符进行位元仲裁来解决的。冲突的发生与线与机制相一致，显性状态覆盖隐性状态 ( o 为显性，l 为隐性) 。即当节点开始发送它们各自的报文时，标识符的每一个位都被写 到总线里而且能够被每一个节点读回。如果一个节点写进了隐性位而读回显性位它会知道 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 另一个高优先权节点正在访问总线，仲裁失败的节点会失去总线控制权，所有失去总线控 制权的站都会自动变为接收者，接收高优先级的报文，它们不再企图发送报文，直到总线 重新空闲【1 0 ，u l ，总线仲裁时序图如图2 1 所示。 sr 0t c t r o ld a t a fi 098 7 6 5 4 3 21 0r n o d e1 l i i t e no i l l y n o d e2 n o d e3 l i s t e n 1 y b u s 图2 1c a n 总线仲裁时序图 f i 醇1c a nb 峪a 埘n 面叩s e q u 朗c ec h a n 发送请求在整个系统中按报文的重要性来排序处理，当总线负荷较重的时候这会带来 很多好处，因为总线访问的优先权是基于报文本身的，因此可以节约很多总线时问，在实 时系统中降低了传送的延迟。 2 2c 州协议信息帧 o n 协议支持两种帧格式，一种被称为c a n 标准帧，支持1 1 位的标识符长度；另 一种称为c a n 扩展帧，支持2 9 b i t 的标识符长度f 1 2 1 ，c a n 协议规定的帧格式如图2 2 所 示。 t m 址幽：h ：h i | 竺肾 图2 2c 州信息的帧结构 f i 簖2f 姗es 廿u c t t 腓o f c a ni n f o n n a l i 册 6 沈阳工业大学硕士学位论文 c a n 标准帧格式以一被称为“s t a r to ff 姗s o f ) 的起始位开始，接下来是“仲裁区 ( 加b i t 掰d o nf i e l d ) ”，仲裁区由标识符和远程传送请求( r t r ) 组成，r t r 位用于区分 数据帧和被称为“远程帧”的数据请求帧。接下来的控制区( c c 哪m if i d d ) ”包括确认扩展 位( 玎) e ) ，用于区别c a n 标准帧和c a n 扩展帧，同样，“数据长度代码( d l c ) ”用于 表示接下去的“数据区( d a t af i d d ) ”中数据的字节数，如果报文用于远程帧，d l c 就包含 所请求数据的字节数。“数据区”可以达8 字节。报文的完整性由接下来的循环冗余校验码 ( a 汇) ”来保证。而“应答区( a c k ) ”则有应答槽( a c ks l o t ) 和a c k 定界符( a c k d e l i m i 储) ，应答槽中的位元会被接收到正确的报文的站填充并发送到总线上，接收者不 需要判断报文的有效性便可以应答正确的报文，即无论是否与自己有关的报文，接收者都 会填充应答槽并进行发送。报文结束于“帧结束( e o f ) ”位，帧间隔( 腰s ) ”定义了两个 数据帧之间的最小位元数，一般不小于3 b i t 。如果没有任何站企图对总线进行访问，则总 线会一直保持空闲状态 扩展帧中的报文与标准帧相似，不同之处仅是所使用的标识符长度，扩展帧的标识符 由已存在的1 l 硫基本标识符和1 8 b i t 扩展的标识符组成，具有相同的标识符或基本标识符， 那判断报文优先级的方法通常为：标准帧的报文总是比扩展帧的报文优先级高f 1 3 1 。 2 3c 州应用层通信协议 c a n 只定义了开放系统互连参考模型中的物理层和数据链路层，没有规定应用层，用 户必须直接用驱动程序操作链路层，不能直接满足工业控制网络的组态和产品互连要求， c a n o p 协议是在c a n 的基础上发展起来的开放的、标准化的高层协议，这个协议支持 各种c a n 厂商设备的互用性、互换性，实现在c a n 网络中提供标准的、统一的系统通讯 模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能【1 4 1 。 2 3 1 通信模型 c a n o p e l l 协议中包括了标准的应用层规范和通信规范，其通信模型如图2 3 所示。 7 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 发送设备 图2 3c 黼p e n 通信模型 f i 醇3c m 嘣幽i d co f c a n o p 接收设备 在c a n o p 的应用层，设备间通过相互交换通信对象进行通信，良好的分层和面向 对象的设计思想将代给用户一个清晰的通信模型【1 5 1 。 2 3 2 设备模型 c a n o p e i l 通信设备的设备模型可以分为3 部分：通信接口，对象字典和应用部分，如 图2 4 所示。 a n 通信接口：对象字典：应用： 一 f p d o i s d o 数据类型，应用程序，设 _ 特殊功能通信对象，备子协议实 _ 一 l 象，舯对应用对象现 象 图2 4c a n 0 p e n 设备模型 f i 9 2 4e q u i p m tm o d eo f c a 】岫 沈阳工业大学硕士学位论文 通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同c n o p 设备问的通 信都是通过交换通信对象完成的。这一部分直接面向c a n 控制器进行操作。 对象字典描述了设备使用的所有的数据类型，通信对象和应用对象，是一个c a n o p 叭 设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间，向应用程序提供接口，应用程 序对对象字典进行操作就可以实现c a n o p e n 通信悯。对象字典是c m 帕p 衄协议的核心部 分，是实现通信的关键。 应用程序由用户编写，包括功能部分和通信部分。通信部分通过对对象字典进行操作 实现c a n o p 通信，而功能部分由用户根据应用要求实现。 2 3 3 通信对象 c a n o p 协议的网络通信与管理都是由不同的通信对象来完成的，它通过功能代码定 义了四种标准的通讯对象，来实现通信，网络管理，紧急情况处理等功能( 弘聊。 ( 1 ) 服务数据对象( s d o ) ：完成系统参数的配置，设定过程数据对象( p d 0 ) 的格 式，主战作为命令把s d o 发送给从站，从站作为响应把s d o 发送给主站。该对象可以传 输大于8 个字节的配置信息，接收者将确认收到的每个段信息，发送和接收之间建立点对 点的通信，成为客户机服务器模式。s d o 的数据格式如表2 1 所示，s d 0 的操作内容由 数据段蛐0 ，d 卸i a l d a 町传递。 表2 1s d o 的数据格式 t 曲2 1d a l af o 疗n a t0 f s d o 操作方式：主站s d o 的这部分表示对从站操作的命令，例如：向从站写参数，从从站 读参数，参数的特征等；从站s d o 的这部分表示从站对主站操作的命令的应答。 9 一 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 参数号：表示被操作的参数号，c a n o p 铋通过参数号规定应用层通讯实体的内容，例 如：从站的设备特征，生产厂家，参数读取，参数设置，p d o 的数据格式规定等等。 参数值：表示被操作参数的数值。 ( 2 ) 过程数据对象( p c l o ) ：用于传递系统的控制变量( 传感器信号，数字输输 出变量等) ，数据格式如表2 2 所示。 表2 2p d 0 的数据格式 t a b 2 2 d a 协如哪斌o f p d o 1 1b i ti d c n n 6 c r 1 0 98 765 4 32 10 p d o 使用所有的8 个字节的数据域来传输应用对象，每个p d o 有一个独立的标识符 并且可能只被一个节点发送，但它可以被多个节点接收，这种模式称为生产者消费者通信 模式。p d o 可以通过多种方式触发传送，内部事件，外部时钟，远程帧请求以及从特定节 点接收到的同步报文都可以启动p d o 发送。 ( 3 ) 系统管理对象( n m t ) ：用于控制从站的状态，在准备状态只允许主一从站之闻 传递s d 0 数据，在运行状态只允许主- 从站之阃传递p d o 数据。网络管理对象，包括节点 保护对象以及m 垤t 对象。 ( 4 ) 特殊功能对象：c a n 叩饥还为同步，紧急状态表示以及时间标记传送定义了三 个特定的对象。 2 4 本章小结 本章对c a n 总线作了简单的介绍，包括c a n 总线的通信机制，协议格式，高级应用 层通信协议。 l o 沈阳工业大学硕士学位论文 3 基于c 州总线的血管造影机运动控制系统总体结构 3 1 运动要求 血管造影机的运动控制系统包括l 轴，c 轴，抽1 c t i ，i i 轴四个方向上的运动控制， 各轴的运动要求如下例： c 轴：运动范围在+ 9 0 0 一9 0 。，速度约为8 0 秒，精度o 2 0 ； j l m 硎：运动范围为一1 1 5 0 + 1 9 5 0 ，速度约为8 啊多，精度0 2 。； 轴：直线运动，运动量程为3 0 0 衄，朝向病人运动的速度为3 0 删n s ，远离病人运 动的速度为6 0 衄n ，s ，精度为1 n 助； l 轴：运动范围+ 9 0 0 一9 0 0 ，速度为8 少，精度o 2 。 防碰撞检测：每个轴在运动或旋转的过程中都要求能够感知是否发生碰撞。当发生碰 撞时，所有的运动或旋转都要停止并且关闭电机驱动器使能。要求能够感知碰撞的力小于 5 0 n 。 3 2 系统总体结构 血管造影机中的c 轴，l 轴，j m c t i 和轴的运动是相巨独立的，统一由上位机控 制。采用c a n 总线实现各轴与上位机的信息通讯，从而构成了基于c a n 总线的分布式运 动控制系统叫。 基于c a n 总线的血管造影机的运动控制系统采用总线式网络拓扑结构2 磁l ，系统总 体结构如图3 1 所示。 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 c a n 适配卡 荫苜| 斟茹悯 媳勃 图3 1 系统的总体结构框图 f i 孚3 1e 砸球s 虮l c t u 陀d i 8 莎硒o f $ s 嘲n 由系统结构框图可以看到，基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统主要由上位机 和下位机两部分组成。工作站( 上位机p c 机) 通过c a n 适配器与下位机进行通信。下位 机由5 个智能节点即四个轴( c ，l ，j l m c t i o i l ，) 位置信息反馈节点和c 臂运动控制执行节 点，l 轴运动控制执行节点，j 岫c t i 运动控制执行节点和h 的运动控制执行节点。 p c 机实现数据处理、碰撞检测、起停电机等功能，完成整个系统的总体监测与控制。位置 信息反馈节点将采集到的四个轴的位置数据信息传送给工作站，工作站对数据进行处理， 作为控制运动的参考数据；运动控制执行节点接受p c 通过c a n 总线发送的控制信号，并 将其转化为模拟信号驱动电机运动，从而实现c 臂，l 轴，j 瑚c t i o n 和四个轴的分布式 运动控制。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 工作站：图像采集，运动控制和影像处理共用一个工作站，运行中能够识别运动 控制的自动与手动模式，软件限位，床边操作盒上的操作杆与各个轴的运动对应关系，以 及碰撞检测等。要求该工作站具有强大的处理数据的能力和很好的稳定性。 ( 2 ) c a n 适配器；又称c a n 卡，上位机的运动控制软件与电机驱动，床边操作盒( t s o ) 以及位置信息反馈节点( 肿) 之间的数据通信都是通过c a n 总线来实现的。这里采用 v t o r 公司的p c i 接口的c a n 卡型号为c a n b o a r d x l ，该c a n 卡内部为功能强大的3 2 位6 4 m h z 的a r n 皿l 的舢t m 7 内核微控制器，两个p h 订i p s 的s j a l o o oc a n 控制器。 s j a l o o o 支持1 1 位标准标识符和2 9 位扩展标识符的c a n 信息，允许接收和分析远程帧洲。 v e c 脚c a n 卡是我们在血管造影机运动控制系统中的用到的c o p l e y 电机驱动模块 支持的三种c a n 卡中的一种，使用它与c 0 眦y 电机驱动模块相结合来开发运动系统非 常方便。在该系统中，电机驱动，床边操作盒和位置信息反馈节点都连接到v e c t o rc a n 卡的c a n l 通道，p c 机接收操作者从床边操作盒上发来的操作命令，结合接收到的位置 反馈信息，对命令进行分析处理，然后发送目标位置和限制电流给电机驱动器，完成运动。 3 3 本章小结 本章提出了血管造影机运动控制系统中各运动轴的运动要求，包括各运动轴的运动范 围，运动速度以及系统的碰撞检测等，详细地介绍了整个系统的总体结构和工作原理，对 系统中各功能模块作了简单介绍。 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 4 血管造影剂运动控制系统智能节点硬件设计 血管造影机运动控制系统中下位机智能节点包括c 臂位置信息反馈节点以及运动制执 行节点。以下对各节点硬件电路作详细介绍。 4 1c 臂位置信息反馈节点硬件设计 该节点实现血管造影机c 臂的四个轴位置信息数据采集功能，结构框图4 1 所示，具 体电路原理图见附录a ，位置信息反馈节点由c a n 通讯接口、a 仍数据采集，滤波放大 以及电源等部分组成。 i 二阶低通滤波卜+ i n ls c l l ( 一 s c l k i 二阶低通滤波r 呻 霎 l 二阶低通滤波卜 i n 2s d i 一 s d o c a n _ _ _ i n 3s d o+s d ic a nt x，眄一 总 耦 二阶低通滤波卜+ i n 4m r r i n l d 线 d c a nr x 册 驱 i 二阶低通滤波卜 1 l c 3 5 7 4 i 一j i 二阶低通滤波r +动 p l c 单片机 图4 1 位置信息反馈节点结构框图 f i 晷4 1d i a g 舳o f p o s 砺f b e d b a c k d e 该智能节点以单片机为核心，采用m i 删d 幽p 公司的p i c l 8 f 系列高档单片机，内部集 成了c a n 总线控制器，节省了外部c a n 控制器的连接。c a n h 和c a n l 通过高速光耦 6 n 1 3 7 与c a n 总线驱动芯片p c a 8 2 c 2 5 0 连接，实现c a n 位置总线各个节点间的电气隔 离，提高了系统的抗干扰能力瞵硐。单片机与a ，d 之间采用s p i 串行通信方式实现数据采 集。 4 1 1p i c l 8 f 4 5 8 简介 沈阳工业大学硕士学位论文 位置信息反馈节点需要处理的信息量不是很大，需要c a n 接口实现与上位机的通讯， 基于以上原因，单片机选择了p i c l 8 系列高档单片机p i c l 8 f 4 5 8 ，该款单片机采用了1 6 位 融s c 的精简指令集，哈佛总线结构，流水线取指令方式，具有实用，低价，指令集小，简 单易学，低功耗，高速度，体积小，功能强及抗干扰能力强等特点鲫。主要特征如下： 商性能的对s c c p u 高达2 m b 的程序存储器。 高达4 k b 的数据存储器。 高达l 昧i i p s 的执行速度。 d c 4 0 m h z 时钟输入。 1 6 位宽指令，8 位宽数据通道。 围功能模块特性： 最大拉电流灌电流可达2 5 m a 。 集成了c a n 总线控制模块： 可编程位速率可达到1 m b p s ； 支持c a n l 2 ，c a n 2 o a 和o n 2 o b 协议； 标准和扩展的数据帧： 支持远程帧； o 8 字节的数据长度； 三个带优先级的信息发送缓冲器： 带2 个优先级的接收信息存储接收缓冲器； 6 个接收过滤器( 标描扩展标识符) ，其中2 个与高优先级接收缓冲器相关，另外4 个与低优先级的接收缓冲器相关； 2 个接收屏蔽器，分别与高，低优先级接收缓冲器相关； 对所有c a n 接收器和发送器的错误状态，可以发出信号以产生中断； 特殊的单片机特性： 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 上电复位电路( p o r ) ，上电延时定时器( p w r t ) 和振荡器起振定时器( o s t ) ： 带有片内r c 振荡器的监视定时器( w d t ) 即看门狗； 可编程代码保护功能； 休眠( s l e e p ) 省电方式； 低功耗，高速增强型f l a s h 技术； 宽范围的工作电压：2 0 5 5 v ； p i c l 8 f 4 5 8 芯片的t q f p 管脚封装图如图4 2 所示。 r c 7 ，r x 幻t r d 伊s p 4 正c c p l 伊1 a 一 r 0 5 ，p s p 5 ，p 1 b 一 r d 5 伊s p 5 ，p c 一 r d 7 炉s p 7 护1 0 一 v s $ 一 v d d r 8 0 ，l n t 0 _ 一 r 8 1 ，l n t l 一 窟b 2 十c 卅) ( ，l i t 2 + r 8 3 ，c a n r x - 一r e 0 ，丁1 0 s o 厂r 1 c k i o s c 2 ，c l k o ，r a 6 一o s c ，c l 刚 一v - 一v 。d - 一r e 2 ，a n 7 n 0 s ，c 2 0 u t 一r e l ，a n 6 ，w r ，( ；1 0 t j t _ 一r e o ，a n 副r d r a s ，a k 4 ，s s m v d 聃 - r 4 ，r 0 c k l 图4 2p i c l 8 f 4 5 8 芯片t q f t 管脚封装结构 f i 晷4 21 q f rp 蛔f 0 螂s 虮k n 聪o f p i c l 8 f 4 5 8 p i c l 8 f 4 5 8 增强型单片机芯片有3 种存储器【2 司： 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 增强型h a s h 程序存储； ( 2 ) 数据存储器； ( 3 ) 麟o m 数据存储器； 数据和程序存储器使用分离的总线，p i c l 8 f 4 5 8 有2 1 位宽的程序计数器p c ，最大 可寻址2 m b 的程序存储器空间，复位矢量是o o o 眦中断矢量是0 0 0 8 h 和0 0 1 8 h ，0 0 0 8 h 为 高优先级中断入口地址，0 0 1 8 h 为低优先级中断入口地址。 位置信息反馈节点的主要功能是将模拟输入通道的模拟电压转换成数字量，对数字量 进行简单的处理，通过c a n 总线发送给上位机。下面对构成位置信息反馈节点的各功能 模块作详细介绍。 4 1 2 电源转换 位置信息反馈节点的供电电压为2 4 v ，为了给有源滤波器中的运放提供士1 5 v 工作电 压，采用d c d c 转化模块d c w 0 3 b 1 5 将2 4 v 电压转换成士1 5 v 电压，转换电路如图4 3 所示。 4 。1 3 滤波电路 图4 32 “转1 5 v 电压转换电路 f i 昏4 3v 姆n v e l t c 确l i t 胁n 2 4 v t o 圭1 5 v 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 为了更好的实现系统的抗干扰性，设计中虽然使用了软件滤波，但是硬件滤波也是必 不可少的。一阶低通滤波的过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为2 0 d b 十倍频。增 加r c 环节可加大衰减斜率。这里我们采用了典型的二阶有源低通滤波电路对a 仍的模拟 输入信号进行处理，滤除高频干扰，达到真实准确测量的目的嗍。滤波电路如图4 4 所示。 + 1 5 v 图4 4 滤波电路 f i 辱4 4f i l t 啦c i 稍血 l o k 其增益为： 彳= ，d u j f = l ( 4 1 ) 对于一个二阶低通滤波电路，= l ，两c 并不是通带的截至频率，现假设w p 为截至 频率，则： 睇：压i ：罟 他2 ， 当r 2 6 = 承2 7 = 6 2 0 q ，c 3 8 = c 3 9 = = o 1 u f 时： l = 阡，p ( 2 n ) z 1 0 0 0 日z ( 4 3 ) 二阶有源低通滤波电路的通带截至频率为l k h z 。 4 1 4 数据采集 沈阳工业大学硕士学位论文 将各个通道的模拟信号转换为数字信号再送入单片机进行数据处理是位置信息反馈节 点的核心部分。a 仍芯片采用的是1 1 公司的性价比较高的一款l d 转换芯片，型号为 1 r i 3 5 7 4 ，主要特点如下刚： 1 4 位精度 最大吞吐量能达到2 0 0 k s p s 4 个单端输入通道，可配置成2 对伪差分输入 模拟输入范围：士l o v s p i 册s p 兼容的串行通信接口，通信时钟最大支持2 5 m k 内嵌转换时钟和8 个8 位的f i f o 的堆栈； 可编程的自动通道休眠功能 硬件控制，可编程的采样周期 t l c 3 5 7 4 的管脚图如图4 5 所示。 12 0 21 9 31 8 41 7 51 6 61 5 71 4 81 3 91 2 1 0 1 l 图4 5t l c 3 5 7 4 管脚封装图 f i 孚4 5p l nf 0 0 l i ) 血t o f l l c 3 5 7 4 c s a r t a v a g n d c o 加p r e f m r e f p a g n d n a 3 a 2 骼弓| 善|一3舢 舳 基于c a n 总线的血管造影机运动控制系统设计 s c l k ：串行数据输入输出时钟信号，也可以作为转化时钟源。 f s ：d s p 通信模式中的帧同步信号，信号的上升沿表示串行数据帧的输入输出的开始； s d i ：串行数字输入信号； e o c 州t ：模数转化完成标志位； s d o ：串行数字输出信号； d 孙j d ：数字地； d v ：数字电源； c s ：片选。 a 0 ，a l ，a 2 ，a 3 ：模拟输入； a a ：模拟地： a v d d ：模拟电源： r e f p ：外部正向参考电压输入，最大输入电压范围由r e f p 端与刚! r m 端电压差决 定，通常在r e f p 和l u 三f m 中间接去耦电容( 1 0 u f 和0 1 l f 电容并联) 。 r e f m ：外部反向参考电压输入。通常接a a q d ； c o m p ：内部补偿引脚，使用时在a q q d 与该引脚之间加o 1 u f 的补偿电容； c s t a r t ：外部采样触发信号。不用时接高电平： 1 i 3 5 7 4 是一款高性能，低功耗，c m o s 的a d c ，需单5 v 模拟电源，3 v 5 v 的数 字电源，串行通信接口由4 个数字输入( 片选信号c s 。帧同步信号f s ，串行输入输出时钟信 号s c u l 串行数据输入信号s d i ) 和一个3 态的串行输出( s d l ) ) 组成。其中，c s ，s d i ， s d o 和s c l k 构成s p i 接口，而f s ，s d i ，s d o 和s c l k 构成了d s p 接口。使用d s p 串 行通信时，f s 表示一个串行数据帧正在传输，当多个灿) c 连接到d s p 的一个串口时， c s 作为片选信号，当只有一个a d c 被使用时，c s 可直接接地。不使用f s 时一定要将其 接到数字电源d v d d 上，例如采用s p i 接口方式通信f s 是无用的。如果s d i 连接到d r d d 上，上电后a d 处于硬件默认模式，不需要软件配置，这是最简单的情况，只用三条线( s d o ， s c l k ，c s 或f s ) 就可实现与主机的通信。 沈阳工业大学硕士学位论文 本系统中，采用s p i 串行通信方式实现单片机与a 仍之间的数字通信口”，电路图连接 如图4 6 所示。 睦馥 髓m 哪盯i o 晰l c 1萤。 ： 习卜 即1 棚t l k i 1 衄 簿 h 瑚m x 口mr o 册1 雾罕 珏m m i 旺雕粥c i ：氍l 聃i o 啊s 肌 船 1 6 m 跹5 f s ) k “m x 舅黑一 口dm x m弗一 1 - ；翮nj 肛。目迎 m 西蠹醒 t m m n m ，r m e ；p