（模式识别与智能系统专业论文）电动多叶光栅控制系统设计与实现.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 电动多叶光栅是2 1 世纪肿瘤放射治疗单位的必备设备。电动多叶 光栅系统实现了在特定的环境下( 执行机构位于医用加速器室内) 多 路直流伺服电机的远程调速和高精度的定位控制。该系统的被控对象 是用直流伺服电机通过丝杆螺母机构驱动的5 8 片钨合金叶片。系统还 具有电机控制数据输入、叶片位置检测、机械误差补偿、故障报警等 功能。 论文针对电动多叶光栅控制系统进行了系统结构的设计和实 现。介绍了通讯卡和信号差分转换卡的功能、信号接口及部分软硬件 设计。完成了电机驱动卡的设计和实现，包括器件的选型，电机刹车 逻辑和电源控制逻辑设计及其硬件实现；完成了电机控制卡的设计和 实现，包括d s p 芯片的选择，d s p 芯片的外围接口电路设计，与通讯 卡h p i 接口的设计、f l a s h 芯片编程、d s p 芯片的b o o t l o a d e r 的设计、 d s p 存储空间的各种扩展方法、f p g a 中的软件模块的设计并给了仿 真时序图；给出了电机控制策略的详细设计与实现算法，并讨论了系 统接地和逻辑门的噪声容限等问题。 关键词：电动多叶光栅、电机控制、p i d 、d s p 、f p g a 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h ed m l c s y s t e mi st h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti n2 1 c e n t u r yu s e di n r a d i o t h e r a p y t h ed m l cs y s t e mr e a l i z e sl o n gr a n g eh i g ha c c u r a c yf i x e d p o s i t i o nc o n t r o la n dv e l o c i t yc o n t r o lu n d e rt h ep a r t i c u l a re n v i r o n m e n t w h i c ht h ee x e c u t i v ei si nt h el i n a cr o o m t h ec o n t r o l l e do b j e c t sa r e5 8 t u n g s t e na l l o yl e a v e sd r i v e db ys e r v om o t o ro f d i r e c tc u r r e n t t h es y s t e m a l s oh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：t h et r a n s f e ro fc o n t r o ld a t ao fd c m o t o r ， t h ef e e d b a c ka n d d i s p l a yo f t h el e a f p o s i t i o n s ，t h em a r g i nc o m p e n s a t i o n o ft h em a c h i n ee r r o r s ，a n dt h eb r e a k d o w n w a r n i n g s ，e t c t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n so ft h ed m l cc o n t r o l s y s t e m a r e p r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ef u n c t i o n so ft h ec o m m u n i c a t i o n c a r da n ds i g n a lc o n v e r t i n gc a r d ，i n c l u d i n gt h es i g n a l i n t e r f a c i n ga n d h a r d w a r er e a l i z a t i o n ，a r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e m o t o rd r i v e rc a r d ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no ft h ek e yi c s ，t h em o t o r b r a k el o g i ca n dt h em o t o r p o w e rc o n t r o ll o g i ca r et h e np r o v i d e d t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h em o t o rc o n t r o lc a r d ，i n c l u d i n gc h o o s i n g d s p ，d e s i g n i n gp e r i p h e r y c i r c u i t sb a s e do nd s pi c ，h p ii n t e r f a c e w i t ht h ec o m m u n i c a t i o nc a r d ，f l a s hi c ss o , w a r e p r o g r a m m i n ga n d t e c h o n o l o g y o fd s pb o o t l o a d e r ，a n dt h em e t h o do f d s pm e m o r y e x p a n d i n g ，t h es o f t w a r em o l d u l ei nf p g a i ca n ds i m u l a t o rw a v e ，a r e i n t r o d u c e dt o oi n t h i s p a p e r f i n a l l y ，t h e d e t a i l e d d e s i g n a n d r e a l i z t i o n so ft h em o t o rc o n t r o l s t r a t e g y ，t h et e c h n o l o g y o ft h e s y s t e m sg r o u n da n dl o g i cg a t en o i s et r e s h o l d ，a r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：m l c ( d y n a m i cm u t i l e a fc o l l i m a t o r ) ，m o t o rc o n t r o l p i d ，d s p ，f p g a n 独御性声明 本入声明所里交的学位论文是本人在导师指簿下进行的研究工作 及取得熬磋究成果。据我所翘，除了文中特翘加以标注嬲致谢的地方 外，论文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其佬教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一闯工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说骤并表嚣谢意。 签名：垒孽盟趣 日期：跏弓年r 月r 豳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完垒了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允诲论文被查藤帮借阕。本久授权电子稃技大学酉潋将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库遴行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名丝擅蠡 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 电动多叶光栅的应用背景 治疗肿瘤的方法一般分为手术、化疗、放疗三种，其中手术和化疗都是局部治疗手 段，单独使用有很多缺陷，因此，6 0 7 0 的肿瘤病人都需进行放射治疗。放疗是治疗 肿瘤的重要手段。在改善和提高放疗技术和设备方面，随着高科技的发展，特别是由于 电子计算机广泛应用以及双螺旋c t 和高清晰度m r j 的出现，放疗界一直在追求如何 最大限度地将剂量集中在靶区，彻底杀灭全部肿瘤细胞，而使用周围的正常组织器官少 受或免受照射，努力提高放疗增益比。通过计算机运算控制的三维适形放疗 ( 3 - d i m e n s i o nc o n f o r m a lr a d i a t i o n t h e r a p y , 即3 - d c r t ) 为实现这一追求提供了 有效技术。 从五十年代到现在，人们在不断完善三维适形放疗软件的同时，一直在探索实现三 维适形放疗的最佳硬件设备，传统方法有“原体照射”到“循迹扫描法”和铅挡块法， 操作起来非常费时费力，特别是目前国内广泛使用的铅挡块法，还存在污染大的缺点。 近几年来国外出现了新型、先进、自动、控制的多叶准直器，即电动多叶光栅( m u l t i l e a f c o l l i m a t o r ，即m l c ) ，它几乎具备了传统方法的全部优点，通过计算机控制，电动多 叶光栅能够随射野改变而适形变化，达到准确适应肿瘤形状，使高剂量原分布形状在三 维方向上与病变靶区完全一致，实现三维适形放疗，同时可以通过常规分割、超分割、 加速超分割，以及低速分割等治疗方式来完成目前一般的常规放疗机( 加速器、钴6 0 机、t 一刀等) 所不能完成的任务，无论其精确度、疗效、并发症均优于常规治疗机。 国外人士称之为2 1 世纪的常规放疗机。 近年来，在三维适形放疗( 3 一d c r t ) 的基础上，放疗界又进一步提出调强适形放 疗( i n t e n s i t y m o d u l a t i o nr a d i a t i o n t h e r a p y ，i m r t ) 概念，不但要求高剂量分布形 状与靶区形状相一致，而且要求靶区内剂量分布也符合一定的要求，虽然这项技术在国 外刚刚兴起，但国内外同行均评价它是2 1 世纪放射治疗技术的主流。而电动多叶光栅 是实现调强适形放疗必不可少的基础技术，其他传统方法如铅挡块、圆形准直器、以及 手动多叶光栅均无法实现调强适形放疗。 综上所述，可以看出，电动多叶光栅是2 1 世纪肿瘤放射治疗单位的必备设备，凡 有加速器的放疗单位都需要配备电动多叶光栅以实现三维调强适形放疗。 电子科技大学硕士学位论文 1 2电动多叶光栅的安装与叶片介绍 一、安装 惫动多咛必壤是放霉于送褥壹线攘速嚣黪小毒髭头上镬爨瓣。夫掇粲霹爨旋转，l 、掇 头也可以旋转，形成一个空间三维坐标系。如图1 1 所示： # 一0 一一 电动多叶光洲 。，毋 _ - - _ 一 重三蚕卜 r 淑 图l l 医用加速器及其附属设备 二、电动多盼光掰静时片 机械部分的主要部件是由单个叶片构成的叶片组。叶片的有关几何尺寸定义如下： 辞肄戆宽发为垂誊予射线穷瓣方翔翻辞冀运动方囱静静静煞耪瑾蓐废，它等于跨 片两侧丽间的宽度： 辞羚长疫兔平行予静舞运凌方淘熬时片豹物理长凌； 叶片顶面为近放射源一侧的叶片的液面，叶片底面为近患者皮肤一侧的表筒； 哮羚褰度必跨片瑗殛窝赢甏淹豹物溪裹度； 叶片端面为叶片伸入射野内形成射野边界的表面。 援邻时片港宽度方离平幸亍接甓擒残时冀缓，蘸令稳怼熬辞嚣组梅戏多蘸走撵。 叶片的宽度决定了m l c 形成的不规则射野与靶区彤状的几何适合度，叶片宽度越 藩，逶会度越好 堡睁片越薄，测终越溺难，遗徐邀裁穗应斡越蹇，毽藏必矮焱秀考之 间进行折中。 6 电子科技大学硕士学经论文 引 # 卡片 图l 一2 电动多叶光栅的叶片 图1 - 3 所示为电动多叶光栅使厢的一个简单的例子，即适形治疗。叶片组成肿瘤切 面的形状。 图l 一3电动多叶光栅遗形治疗 1 3 国内外发展动态 目前避入i 临床使用的几种主要晶种，其性能各有千秋。而技术最成熟、市场占有率 最麓敕当掺v a r i a n 及m 3 ；从惩户日碑( 蹶客接受度) 来霉也是它翻较领先。这其中 v a r i a n 是内攫式；装于机头内部，为加速器生产厂家原配。而m 3 ( b r a i n l a b ) 为外鬣式 的微型电动多时光搬。无论是软 牛熬功能竞善性，逐是疆传技术性能，v a r i a n 积m 3 者 有较好的表现。但茂昂贵的价格( 约6 0 万荧金) 让国内很多渴望开展此项技术的医院 望骶却步。也因为如| 墩，国内仅极少数几家顶级医院有此酝嚣，授大的限制了其发膜。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本课题设计任务 本课题要求设计外挂式电动多叶光栅，并完成样机的调试。 系统完成后要求具有以下功能： 能够通过操作员工作站输入治疗数据( 叶片控制数据) 。 能够通过操作员工作站实时显示叶片位置 能够按照输入的数据控制叶片( 速度控制和定位控制) 能够随着加速器旋转角度的变化，执行不同的控制数据 能够通过软件和硬件起动和停止系统 8 电子科技大学硕士学位论文 第二章电动多叶光栅控制系统方案设计 2 1 电机的选择 电动多叶光栅的驱动可以采用气动( 活塞) 方式，也可以采用电机驱动，通过丝杆 将旋转运动变成叶片的直线运动。 由于要实现高速精确的定位控制，系统要求电机运行最高转速3 0 0 0 r p m 左右，对 于步进电机来说高转速时比较容易发生丢步的现象，所以不能使用步进电机。由于直流 伺服电机良好的性能，可以选用直流伺服电机。 由系统要实现的功能可知电机要求长期带动负载运行于调速状态，因此，应选取机 械特性硬度较硬，即其转距随转速变化较小的直流伺服电机。伺服电机是执行机构的 关键部件，它应能提供足够的功率，使负载按所需的规律运动。因此，伺服电动机输出 的转矩、转速和功率，应能满足负载运动的要求，控制特性应保证所需的调速范围。电 机的功率可按下式估算： p 。( i 5 - 2 ) 堡：坠 1 0 2 0 。叩 其中p m - - - - - 电机功率( k w ) k 负载峰值转矩( n * m ) w 。一复杂最高角速度( r a d s ) n 一一传动效率 根据机械设计部分提供的参数可知 t l 产1 5 m n mn = 7 0 w u = ( 2 0 0 5 ) 3 1 4 = 2 5 1 2 r a d s p 。= 2 1 5 2 5 1 2 ( i 0 0 0 1 0 2 0 * 0 7 ) = 1 0 5 5 w s w i s sm a x o n 生产的i 5 w 直流伺服电机，能够满足系统要求。 2 2 电动多叶光栅系统控制原理分析 电动多叶光栅( m l c ) 的控制必须包括以下三项重要内容：( 1 ) 叶片位置的监测： ( 2 ) 叶片控制逻辑；( 3 ) 叶片运动到位的机构。按照功能划分，电动多叶光栅的设计 应从以下几个方面来展开； 1 叶片驱动装置：这部分主要完成叶片驱动的设计，是机电部分的联结点。 2 叶片位置的控制：这部分的功能主要是根据给定的数据控制叶片驱动装置 电子科技大学硕士学位论文 驱动叶片到达指定的位置。 3 叶片位置和速度的反馈：这部分主要完成对叶片的位置和速度进行监测， 并将监测信号反馈给叶片控制装置。 4 g a n t r y 角的监测：为了达到自动适形放疗的目的，必须让工作站随时知道 加速器g a n t r y 目前的角度，从而调出正确的切面形状所需的叶片位置数据 进行控制。 5 通信控制部分：数据通信的可靠性如何，是整个电动多叶光栅能否可靠运 行的关键，因此，必须从可靠性的角度进行设计。 6 综合控制部分：它负责对以上部分进行综合控制并协调它们之间的工作。 7 监控软件：运行于工作站上，用于输入叶片数据、监视叶片位置、发送控 制命令。 2 3 系统方案设计 2 3 1 系统结构方案设计 设计的系统要求5 6 路电机通过丝杆螺母机构驱动钨合金叶片，要实现高精度的定 位控制和速度控制。下面从以下几个方面进行讨论： 一、结构的分析 执行机构是安装在医用直线加速器的小机头上。由于医用直线加速器要产生电磁场 以及x 射线，为了保证系统运行的可靠性，控制电路，特别是运算单元应该尽量避免 安装在直线加速器的小机头附近。也就是说，控制电路与控制对象分开放置。根据实际 应用与安装的要求，控制部分放在控制室内，距离执行机构大约有3 0 米左右。 二、叶片位置和速度反馈 由于被控对象有严格的空间体积要求，通道数又比较多，直接通过测量叶片的位置 来获取叶片的当前位置较为困难。通常的如电位器原理的位移传感器、容栅尺、光栅尺 都不适用。还有一种就是使用c c d 摄像头加上一套光路系统可以实现叶片位置的检测。 但其缺点是：摄像头长期暴露在x 射线下，较容易损坏。另外，灰尘对光路系统的影 响很大。 在机械加工精度较高的情况下，通过测量电机编码器的反馈值，也可以得到叶片的 位置和速度。 三、信号的传输 由以上分析可知：反馈信号采自电机的编码器，编码器输出的信号为相差为9 0 度 的两通道编码信号( c h a ，c h b ) ，电平为t t l 电平。电机到控制电路的传输方式可以 通过编码方式或是电缆传送。 1 0 电子科技大擀硕士学位论文 使掰编弼方式传送韵优菲在予：传送酌情号线很少。吲以采用光纤传送，也可以使 鬻戳太鼷懿黎方式。潦点褒予莛露撩涯攘懿戆实瓣瞧；在瞧辍楚瑟褊邀鼹爨粱季毽瓣 m c u 释器件滞么就翳捷霜f p g a 来设计模块，编解粥模块的时序设计的罐威较大。 搂鼹邀缆传送，溪考惑懿缠鹚嚣埝逛鲶髂号势w l 惫平，捷臻鼷褰叉较远，隽了 援麓猕输熬胃瘫靛，哥虢通过把蒲弩蹙戚蔑分信警( 使用r s 4 4 2 魄平) 再储输的方法 实骢；在控爨辍聱分，嚣恕瀑分穰弩还爨。 瀵遘戬土分蓊，麓蔬持襁可设计成三部分；p c 工作站、控带4 藕、机头部分。p c 工 苫燃积控蠢8 簇救在控制室，嘏头部分寂装在浚疗室蕊篷霆囊绞壹# 遽器游夺撬头主我煞 誓氯拣之羹襁失豁努) 。 2 3 ，2 耄臻设谤蓊攒辱恶慈 溪绫楚溅瞧涛莰诗黎羹搴据警憨慧是：按照安锵、可靠、经济、巍迸静艨弼，不锻 要保诫系统熊满足照耀需要，丽且方便系统扩充与升级。尽懋采熙浆戏度蕊熬器孛。 2 3 3 控制散路穷勰设计 1 、控制端片的选择 瓣予窀撬控懿，攘雾擎鹭辘套专籍戆p w m 赣逡瑟，骞蘩黧号运簿专弱巍棍羟翁耩 块，期t i 的d s p2 4 0 7 。但嫩，这些粼号的单片机鼗d s p 单片所能控制电机的路数嚣 爨较少，器么，懿暴癸攘零蘩筑要求签籍甓藤亳爨，舔么，耨要求瓣攀冀辍戆冀装霉莓 会很多。这栉，一个魁整个控制电路的体积将会增大，另外，m c u 的增多会使电路媳 菱杂；瞧罐熬瓣囊装媳蓑会撵走； 2 、接口礅路韵安溉 男耱，辩予每一黪麓舞，黎耍嚣聚整簦绞，嚣羧缀遥器辩爱壤线，释么懿蘸惫爨 总共器臻5 8 * 4 = 2 3 2 个i o ，褥加上一始控制总线，总的需要的i o 蹦辙多。为了提简 邀鼹黪藤或发，胃滋逡矮多靖薄壤疆逻辗奄臻f p g a 采窭臻攘键袋蕊惫溪。懑遘黎黎 实现魄辊控制模涣，辩测速横绦、p w m 控制输出模蜓簿等。 翳多 ，出予零系缕瓣箨缝黢较丈，器袋硬羚楚够逡痤捉城辍骜爨燕楚羹漫懿躞囊。 溺螽，经翻靛嘏税器懿蕊可戳激纯。娥有就是哟于传输绒较1 亟，将导皴信号肖所延迟， 翅果攘粼憨鼹嬲较长熬溪，将不簸镶落淹篷塑糖褒要慕。结台皴主努攒，零系绞迄赣熬 缓诗致滚采瑟攥度较袂黥运算菘片，芯片的井测电路慰艇少，搂口电路激用可编程逻辑 器馋来蜜现。 这样，控粼惫路辩方案宥戳下两种： 电子科技大学硕士学位论文 方案一： 采用一片速度较快的d s p 和多片f p g a 来控制5 8 路电机。 方案二： 把5 8 路电机分组，每组采用一片d s p 和一片f p g a 来控制。 方案一采用的芯片较少，可以减少电路板的面积上和成本。当控制的电机数发生变 化或是控制算法变复杂时，再加上信号的延迟该方案硬件可能满足不了系统的要求。 方案二的优点在于为系统的变化留有较大的裕量。而且，每组控制电路，不管是从 硬件还是从软件来说，几乎可以互换。这样设计较简单。 通过分析比较，我们决定采用方案二。 5 8 路电机分为6 组，每组为1 0 路电机( 最后一组为8 路电机) ，每组用一片t i 的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和一片a l t e r a 的a c e x1 k 5 0 及其外围电路组成的控制电路控制。 这六组控制电路具有互换性。无论是在硬件设计还是d s p 中的控制软件和f p g a 中的 控制模块都是大体相同的。再通过一片m i t s u b i s h i 的m c um 3 0 6 2 4 来协调这6 片 d s p ，并实现与上位机p c 工作站通讯。 系统原理如图2 1 所示。 2 3 4 系统控制电路组成 图2 1 系统结构原理图 系统的控制部分可以采用标准工业机箱的结构，设计成插卡的形式。为了使电路板 有互换性，电路设计按6 0 路电机来设计。下面我将分别介绍系统的一些主要板卡： 一、控制箱 控制箱中有以下几种板卡： 电子科技大举硕士学彼论文 1 奄极控铡卡： 整个系统设计两块电机控制卡，每块卡控制3 组3 0 路电机。每组控制单元由片 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 鄹片a c e x l k 5 0 来实域。电机控制的输出接口、编码器绩号集在 f p g a 中实现，控制的运箅在d s p 中实现，与上层m c u 接口通过d s p 的h p i 口实现。 2 邋攮卡： 与上位机通讯，接收治疗数据以及控制操作命令并通过h p i 口下传给电机控制卡； 通过d s p 的h p i 翻读取务d s p 中各时片的当前位置以及各d s p 驰状态。与上缎机0 通讯通过串口实现，与下位机通讯通过d s p 的h p i 口以及硬连线。 3 骤动卡： 通过背板与嘏机控制卡通讯。接收电机控制卡中的f p g a 中电机控制模块输出来 控制驱动芯片a 3 9 5 2 s l b 。通过电缆输出电机驱动信号到机头驱动电机运动。 4 麓分转换卡： 通过电缆接收机头部分传来的电机编码器差分信号，并解差分。通过背板与电机控 制卡以及通讯卡接目，把它们发给梳头部分的一整控制信弩转换戚差分信弩传输。 5 电源模块： 通过牵擎叛为熬个系统键供窀源 6 背板： 为各校卡之闷交挟信号捷供鼹经。 二、机头部分 时舞豹位置是递遂电孝筵编码嚣诗冀悉来，电穰瓣编码器输窭豹是方滚馕号，掰以， 通过计数脉冲的个数计算出的位移是相对值。因而，需要为整个系统找一个绝对零点。 嗣辩，在时片牙程舱嚣凌黩该热上澎残牙关。盘予野片缀薄( 最薄豹只鸯2 。8 r a m ) ，瑟 且由它们在系统中所处的位置及系统的机械结构要求，为每片叶片加一个零点开关和限 霞开关不憩缀褒窦。 本系统的叶片的运动定位和限位是通过使用光电开关来实现的。叶片谗动是挡住了 光泡牙关瓣接收头裁会魅发光电开关，通避读回光媳开关豹信号，我 | 、j 可以缮到枕头处 叶片的一缝信息。 毙邀开关豹信母通过传 鑫电缆到鹜扳，经过差分转换嚣嗣蠹寸进入电规控制卡和通讯 卡。光电开关的控制是由通讯卡来执行的。 我 】选用的光电开关是o m r o n 公司生产躺，它是由发射头秘接收头组成，信 号厢光纤传输。由于光电歼关的供电电压为1 2 v 1 5 v ，通过控制继电器的开合来达到 开关光电开关的传用。在媳机控制卡中，邋过在f p g a 中做了一个光电开关信号输入 切换模块，厢每路电机的启渤信号束控制光电开关的信号是否输入别该入电机的控制模 块中，也就是控制当前某路电机控制逻辑是否处理光电开关的动作。 机头部分有以下几种板卡： 电子科技大学硕士学位论文 机头差分转换板： 接收从控制箱传输来的差分电机控制信号和光电开关控制信号并把它们解差分。把 从电机插座板传来的电机编码器信号和光电开关反馈信号转换成差分信号后通过电缆 传给控制箱。 电机插座板： 与电机直接接口，把从机头差分转换板接收解差分后的电机控制信号传给电机，把 编码器信号传给机头转换板。 系统控制箱的结构如图2 3 所示： 2 4 系统工作流程 图2 2 控制箱示意图 电动多叶光栅( m l c ) 系统在肿瘤放射治疗中的工作模式很多，其中的一种工作 模式就是适形治疗。治疗过程中，加速器围绕人体做3 6 0 度旋转，选取几个特定的角度 进行治疗，这几个特定角度就称为治疗野。按照不同角度肿瘤切面的形状，通过治疗计 划系统( t p s ) 生成电动多叶光栅的电机驱动文件。文件的内容就是电动多叶光栅随医 用加速器机架旋转到在不同的角度，5 6 片叶片分别应该运动到的位置。整个治疗过程 加速器的机架带着电动多叶光栅旋转，在n 个角度停留，整个治疗过程就分为n 个野。 在本文以后各部分的讨论都将按照这种工作模式进行讨论。下面将介绍整个系统的工作 流程： 步骤一：上电后，通讯卡初始化完成后向上层p c 机发送“连接”命令。同时，各 块电机控制卡上电初始化完成后，在内存单元中专门划分的标志位区域置“d s p 上电 初始化完成位”，通讯卡通过d s p 的h p i 口可以得到d s p 的状态信息。 1 4 电子科技大学硕士学位论文 步骤二：通讯卡与上位机连接完成后，上位机向通讯卡发送“电动多叶光栅叶片初 始化校验命令”。 步骤三：通讯卡打开驱动卡电源，打开初始化用的机头处的光电开关开关。 步骤四：判断当前d s p 复位完成后，通讯卡通过d s p 的h p i 口给第一片d s p 发 送“叶片初始化校验命令”。 步骤五：第一片d s p 的1 0 片叶片初始化定位完成后，置“当前d s p 初始化校验 完成标志位”，通讯卡查询到该标志位后，置下一片d s p “叶片初始化校验命令”，当 所有d s p 都置上“叶片初始化校验完成标志位”后，通讯卡向上位机发送“电动多叶 光栅叶片初始化校验完成标志位”。 步骤六：上位机收到“电动多叶光栅叶片初始化校验完成标志位”后，通过串口， 发送治疗数据( 电机控制数据) 给通讯卡。 步骤七：通讯卡收完所有治疗数据后，依次给各片d s p 置上“下载治疗数据命令 标志位”。 步骤八：当前d s p 查询到“下载治疗数据命令标志位”后，把通讯卡写在特定内 存区中的治疗数据搬到控制程序指定的区域，校验正确后对数据作相应处理并置“数据 校验正确标志位”。 步骤九：通讯卡收到所有d s p 的“数据校验正确标志位”后，发送标志给上位机。 步骤十：上位机发送“s t e p ”命令，通讯卡收到后依次给各片d s p 发送“s t e p ” 命令，为了保持6 片d s p 所控制的叶片同时开始运动，各片d s p 收到“s t e p ”命令并 不开始运动，而是利用通讯卡到电机控制卡之间的硬接线给统一启动信号。 步骤十一：当前d s p 控制的叶片全部运动到位后，置“当前野运动到位标志位”， 通讯卡查询到所有d s p 置上的“当前野运动到位标志位”后，发送“当前野运动到位 标志”给上位机。 步骤十二：上位机依次可以发送下一个野开始执行的命令。 步骤十三：所有野治疗数据执行完成后，下位机发送“所有野执行完成”给上位机， 等待下一例病人的治疗。 电子科技大学硕士学位论文 2 5 系统监控软件介绍 电动多叶光栅的监控软件是操作员的操作界面。监控软件需要具备以下的功能： ( 1 ) 根据不同的计划系统所生成的治疗数据，产生出所需的叶片位置数据。并能以 电动多叶光栅硬件所能识别的格式往下传送。 ( 2 ) 胄够同时显示叶片的计划位置图形和根据从m l c 硬件传回的叶片位置数据显示 叶片的实际位置图形，以便实时可视化地进行监视。 ( 3 ) 能对单个叶片进行修整设置，并具有错误报警功能。 ( 4 ) 能够发送命令控制底层硬件。 下面时三个常用的界面： 一、主操作界面 图2 3 1 6 电子科技大学硕士学位论文 二、装载治疗数据界面 三、系统设置界面 图2 4 图2 5 电子科技大学硕士学位论文 3 1 通讯卡功能描述 第三章通讯卡设计介绍 在第二章，已经讨论过了系统的整体方案，采用单片机作为上位机和下位控制电路 交换数据和协调控制的作用。同时，通讯卡也起到协调六片d s p 同步控制和控制系统 定位及限位的光电开关的作用。在设计中，我们选用了m i t s u b i s h i 的m 1 6 c 系列单 片机m 3 0 6 2 4 。 通讯卡与上层p c 机交换的数据主要有： l 、p c 机向通讯卡下传的叶片数据、控制命令。 2 、通讯卡向上层机上传的叶片位置数据、系统状态。 通讯卡与电机控制卡交换的数据主要有： 1 、通讯卡把p c 机传来的叶片数据整理好分别传给各片d s p 。 2 、把p c 机发的命令分别发给各片d s p 。 3 、读取各d s p 的叶片位置数据和状态信息，并上传给上层p c 机。 另外，通讯卡还通过背板及传输电缆控制机头处的控制定位的和控制限位的光电开 关，并读回光电开关的状态，同时通过背板的连线传给d s p 。 3 2 通讯卡l i p i 接口 m c u 与d s p 的h p i 接口需要用到以下几根信号线：h c n t o 、h c n t l 、h b i l 、h 列w 、 h c s 、h d 0 h d 7 。在通讯卡的设计中，我们把h q 汀l 、h c n t 0 、h b i l 通过s n 7 4 a h c 2 4 5 分别与单片机的地址线a 2 、a 1 、a 0 相连接。在单片机中，经过合理安排好地址，可 以满足d s p 的h p i 口对h c n t o 、h c n t l 、h b i l 的时序和地址选通要求。例如，把 h p i c 寄存器的低字节地址设为6 0 0 0 h ，高字节地址设为6 0 0 1 h 。这样地址线a 2 、a 1 均 为0 0 ，正好满足了h c n t 0 、h c n t l 均为o o 使选中h p i c 寄存器的要求。同理，h p i d 的地址为6 0 0 2 h 和6 0 0 3 h 以及h p 队的地址为6 0 0 4 h 和6 0 0 5 h 同样满足要求。在通过 h c s 信号线选通不同d s p 的h p i 口。部分定义如下： g l b h c s l _ h p i c _ l ；6 0 0 0 h g l b _ h c s l _ h p i ch ；6 0 0 1 h g l b _ h c s l _ h p i d _ l；6 0 0 2 h一b _ h c s l _ h p i d _ h；6 0 0 3 h g l b h c s l1 hdhpia_ ；6 0 0 4 hg l b h c s li ah ；6 0 0 5 h 把h d 0 h d 7 通过s n 7 4 a h c 2 4 5 与单片机的数据线d o d 7 分别相连。h r w 、h c s 是通过单片机的地址线、读写信号线进入f p g a 模块经过译码后输出的。 电子科技大学硕士学位论文 3 3 通讯卡单片机软件功能分析 通讯卡主程序流程图如图3 1 所示： 图3 1 m c u 在给d s p 发送运动命令时，在单步模式( 发送“n e x t ”命令) 和连续模式 1 9 电子科技大学硕士学位论文 下( 发送“c o n t i n u e ”命令) 都希望所有六片d s p 控制电机能几乎同时开始运动。 这样，在通过d s p 的h p i 口依次给六片d s p 发命令后，在通过一根硬接线通知所 有d s p 同时开始执行。如在发送单步模式的“n e x t ”命令的流程如图3 _ 2 所示： 收到p c 机发来的 n e x t 命令 清除同步命令 3 4 m c u 与p c 机串口收发协议 图3 2 单片机与p c 机通讯是通过r s 2 3 2 传口来实现的。我们定义了如下协议： p c 机与单片机通讯时，每次发送的数据都定义一个包头标示。所用包头的a s i c i i 码都 不是数字，这样就不容易引起混淆。 手 电子科技大学硕士学位论文 如：o k 7 1 要求传送叶片位置数据。 0 x 7 2 传送叶片位置数据。 0 x 7 3 传送命令( 0 位叶片初始化( 1 ) ，l 位下数据( 2 ) ，2 位r u n ( 4 ) ，3 位数 据传送结束( 8 ) ，4 停止( 1 6 ) ，5 e m e r g e n c y ( 3 2 ) ，6 i n t e r l o c k ( 6 4 ) ) a 0 x 7 4 传送机器状态数据。 0 x 7 5 确认上次数据正确。 0 x 7 6m c u 发起的连接探询命令。 0 x 7 7 上位机回答的探询命令。 0 x 7 9 握手完成命令 m c u 与p c 机通讯的数据包格式如下定义： 一、通信握手： m c u 发送0 x 7 6 、0 x 7 8 到p c ：p c 收到后发0 x 7 7 到m c u ：m c u 收到后发0 x 7 9 、0 x 7 8 到p c ；收到后认为系统通讯正常。 二、命令和状态信号包格式： 第一字节：0 x 7 3 第二字节：0 ：叶片校验l ：下载数据2 ：运行3 ：下载所有野数据结束 4 ：停止 5 ：n e x t6 ：连续7 ：叶片校验成功失败 第三字节：校验和( 异或第一和第二字节) 判断校验和正确m c u 发0 x 7 5 、0 x 7 8 ，如果判断错误m c u 发o x 7 0 、0 x 7 8 要求重传 三、p c 到m c u 数据包格式： 第一字节：0 x 7 2 第二字节到第2 5 5 字节：数据( 其余o x 2 0 ) 第2 5 6 字节：校验和( 异或第一到第2 5 5 字节) 第2 5 7 字节：o x 7 8 判断校验和正确m c u ：发0 x 7 5 、0 x 7 8 判断错误要求重传m c u ：发o x 7 0 、0 x 7 8 四、m c u 到p c 数据包格式： 第一字节：0 x 7 2 第二字节到第2 5 5 字节：数据第2 5 0 字节：等于o x 7 f 表示当前野完成( 其余0 x 2 0 ) 第2 5 6 字节：校验和( 9 - 或第一到第2 5 5 字节)第2 5 7 字节：0 x 7 8 五、m c u 到p c 电机状态格式： 第一字节：0 x 7 4第二字节到第1 3 字节：电机状态 第1 4 字节：校验和第1 5 字节：0 x 7 8 每1 0 个电机用2 个字节表示，0 0 0 0 0 0 0 0 ，x x x x0 0 ，表示正常，每一位代表一 个电机，0 为正常，l 为错误，未用的位用0 表示。 电子科技大学硕士学位论文 第四章差分转换卡设计介绍 壶予本系统液惩蛉特殊性，控毒籀与控暴对象( 电毒惩) 黪距离毒3 0 寒左器。瞧援数 编码器输出信号是t t l 电平的，电流为5 m a 。为了提高传输的可靠性，我们搬信号转 化或差分信号( r s - 4 2 2 a 电乎) 进霉亍传输。奁接收溃，可以在进入差分芯片之蔻，攘 上施密特触发器如7 4 a h c l 4 来提高抗干扰能力。 4 1r s 一4 2 2 a 标准 r s 。4 2 2 a 标准是一种以平衡方式传输的标准，它是在1 9 7 8 年9 月公布了r s 4 2 3 a 标 准之盛雄出的。所谓乎掇，是攒双端发送和双端接收，传送信号要用鼹条线a a 、，b b 。 它与r s 4 2 3 a 的根本区别是，发送端茅玎接收端分别采用平衡发送器和麓动接收器，如 图4 1 所示。 一r s - t 1 2 2 标准传输线连接 霾4 1 r s 4 2 2 a 标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间的电位差来决 定。当a 矗线毫孚魄b b 、线亳挚低- 2 v 瓣，表承逻辑“l ”；当a a 线电警逡b b 、线电平 高+ 2 v 时，表看专逻辑“0 ”。很鼹然，这种方式与r s 2 3 2 c 所采用的单端接收器和单端 发送黎，只矮一条薅号线转送僖怠，著羹攫撂该信号线上毫平捐薅手公共熬信弩缝奄乎 的大小来决定逻辑“0 ”和逻辑“1 ”是不同的。r s 4 2 2 a 电路由发送器、平衡接收电 缆、电缓终蝼受载窝接收器缝戏。它逶避平餐发送器恕逻辑电警交换戒滚整差，宠残始 端的信恿传送；通过差动接收器，把电能差变换成逻辑电平，实现终端的信息接收。由 予r s - 4 4 2 a 檬凇采曩了双线传埝，大大增强了抗共撰予挽斡力，因魏，最大数据黄 输率可选1 0 m s ( 传送距离为1 5 m ) 。如传送速率降到9 0 k b s 时，则最大距离可达 1 2 0 0 m 。该标准筑定电鼹孛只诲蠢一令发送器，瞧霹有多个接浚嚣。该椿准盒谬驱动嚣 输出为士2 v o 6 v ，接收器输入电平低测2 0 0 m v 。 毫予科技丈举硕士学位论文 辱。2 电路实现 蔻了安琥r s 4 4 2 a 标准接日亳路设诗与连接，冒戬采掰平衡驱动器搿 浚嚣集成芯 片，如m c 3 4 8 7 3 4 8 6 、s n 7 5 1 7 4 7 5 1 7 5 等。电路图如图4 2 所示： 图4 2 差分转换电路实现 电子科技大学硕士学位论文 第五章电机控制卡的设计与实现 电机控制卡作为电机控制的核心，设计时应考虑到扩展性和通道互换性。扩展性是 指现在设计的一块电机控制卡控制三组电机，每组1 0 路，通过修改d s p 和f p g a 中的 软件可以使每组控制的电机数多于1 0 路( 对f p g ai o 够用的情况而言) 也可以少于 1 0 路；当电机的控制算法变复杂时( 如系统要求叶片在精确定位的过程中速度能够按 照上层软件要求速度曲线运动) ，硬件能够适应软件而不用改版。在电机控制卡中我们 选用t i 的d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为控制运算的主单元，使用a l t e r a 的f p g a a c e x l k 5 0 来实现电机控制接口模块。 在本章的第一节我将介绍d s p 应用系统的设计。接下来，将介绍f p g a 电路的设计。 第三节，讨论了电机控制卡中d s p 系统和f p g a 电路的接口。第四节详细介绍了电机 控制卡的d s p 和f p g a 的软件设计。 5 1 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 应用系统设计 5 1 1 d s p 芯片的基本结构 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微 处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要 求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据： ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件v o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下 面以t m s 3 2 0 系列为例介绍d s p 芯片的基本结构。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作；( 3 ) 专用 的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期。 电子科技大学硕士学位论文 这些特点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 例 如乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器件， 因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这些特点是如何在 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。 1 、哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系结构，其主要 特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互 独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置 了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则 是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来 区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完 全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列d s p 芯片在基本哈佛 结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使 用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器( c a c h e ) 中，当执行此指令时， 不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。如t m s 3 2 0 c 3 0 具有6 4 个字的c a c h e 。 2 、流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理 器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 6 级不等。第一代t m s 3 2 0 处理 器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说， 处理器可以并行处理2 “条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。图5 1 所示为 一个三级流水线操作的例子。 图5 1 三级流水线操作 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能 完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶 段。例如，在第n 个指令取指时，前一个指令即第n