（检测技术与自动化装置专业论文）基于主从式控制结构的电动光栅硬件设计.pdf

摘要 摘要 随着肿瘤放射治疗技术的发展，调强放射治疗( i m i 玎) 已经成为二十一世纪 放射治疗技术的主流技术。作为i m r t 的必备设备，电动多叶光栅( d m l c ) 具有 重要的研究价值。 本文探讨了电动多叶光栅的基本工作原理和硬件结构，论文涉及了主从式结 构的电动多叶光栅控制电路完整的设计过程，包括系统功能的分析、系统方案的 设计、硬件电路的设计、以及程序的编写和功能实现。详细的介绍a r m 核心控制 部分、a r m f p g a 信息管理和控制部分、电机驱动部分的功能。本文最后提供了 测试系统功能的方法并给出了部分测试结果。 本设计采用先进的现场可编程门阵列( f p g a ) 器件以及a r m 微处理器，实 现电动多叶光栅的静态适形( a p e r t u r e ) 、静态调强( s t e p a n d s h o o t ) 、动态调强 ( s l i d i n g w i n d o w ) 功能。论文中介绍了采用数字p i d 控制的方法来对叶片实施控制， 实现了对叶片速度和位置的有效控制，达到了控制精度的要求。 经测试表明，本项目研制的主从式结构电动多叶光栅实现了调强放疗要求的 基本功能，并具有稳定性好，叶片控制精度高的特点，完全能够满足调强放射治 疗的要求。 关键词：调强放射治疗，电动多叶光栅，f p g a ，a r m ，数字p i d 控制 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t l lt h e d e v o l o p m e n to ft h e r a d i a t i o nt h e r a p y , i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o n t h e r a p y ( i m r t ) h a v eb e e nt h el e a d i n gt e c h n o l o g yo fr a d i a t i o nt h e r a p yi nt h e2 1s t c e n t u r y a so n eo ft h ei n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n tt h a tu s e di ni m r t , d m l ch a si m p o r t a n t v a l u et or e s e a r c h b a s i ct h e o r ya n dh a r d w a r ec o n s t r u c t i o no ft h ed m l cw e r ed e s c r i b e di nt h i s d i s s e r t a t i o n w h o l ed e s i g np r o c e s so fc o n t r o lc i r c u i to fm u l t i l e a fc o l l i m a t o r , i n c l u d i n g a n a l y s i so fs y s t e mf u n c t i o n ，d e s i g no fs y s t e mp r o j e c t ，d e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i tw e r e a l s od e s c r i b e di nt h i sp a p e r , p r o g r a m m i n ga n dr e a l i z a t i o no ff u n c t i o n a n di td e t a i l e d l y d i s c u s s e dt h ef u n c t i o no fc o r ec o n t r o lp a r to fa r m ，i n f o r m a t i o nm a n a g ea n dc o n t r o lp a r t o fa r m f p g a ，d r i v ep a r to fm o t o r a tl a s t , i tp r o v i d em e t h o do ft e s t i n gs y s t e mf u n c t i o n a n ds p p u l yp a r to ft e s t i n gr e s u l t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ( f p g a ) a n da r mm i c r op r o c e s s o rw e r eu s e dt o r e a l i z ef u n c t i o no fa p e r t u r e 、s t e p a n d s h o o t 、s l i d i n g - w i n d o w t h e o r yo fd i g i t a lp i d w a su e di nl e a fc o n t r o l ，i tr e a l i z ee f f e c t i v es p e e dc o n t r o la n dp o s i t i o nc o n t r o la n da c h i e v e p r e c i s i o no f l e a fc o n t r 0 1 t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sd m l ch a dr e a l i z e db a s i cr u c t i o no fi m r t i th a s a d v a n t a g eo fh i g h s t a b i l i t i ya n dh i 曲一c o n t r o lp r e c i s i o na n dc a nm e e tt h ea l lr e q u i r e m e n t o f i m r t k e y w o r d s ：i m r t , d m l c ，f p g a ，a r m ，d i g i t a lp i dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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：导师签名： 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 i 电动多叶光栅的应用和发展 1 1 1 电动多叶光栅在医学领域的应用 强度可调的适形放射治疗( i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p y 简称i m r t ，调 强放疗) 是近期发展的一种先进的肿瘤体外三维立体照射技术，广泛的应用于肿瘤 治疗的临床医学领域，它的理论基础：通过照射野( t r e a t m e n tf i e l d ，又称治疗野) 的射束剂量调节，使高剂量区的剂量形状在三维方向上与肿瘤形状一致，同时尽 可能地减少周围正常组织的受照射剂量【6 l 。 1 8 9 9 年放射治疗治愈了第一例病人，放射治疗经历了百年的发展，从常规放 射治疗发展到精确放射治疗，从浅层x 线放射治疗发展到直线加速器放射治疗， 从一维放射治疗发展到三维适形调强放射治疗，放疗专家共同追求的是最大限度 的将剂量集中到靶区内，杀灭肿瘤细胞，使周围正常组织和器官少受或免受照射， 尽量提高病灶的杀伤剂量。1 9 5 9 年日本科学家t a k a h a s h i 博士及同事首次提出并阐 明了适形放射治疗的基本概念，以及实施的方法，g r e e n 首先提出循运扫描的原理， 并在英国伦敦皇家北区医院建立了这种系统的机器和计划设计的方法。出现了适 形调强放疗的原始阶段。2 0 世纪7 0 年代b j a m g a r d 、k i f e w s k i 及其他同道最初提出 调强治疗( i m r t ) 。随着多叶准直器的产生，计算机图像处理系统的发展，1 9 8 8 年瑞典物理学家b r a h m e 提出的调强适形放射治疗是一种能使高剂量区与肿瘤靶区 相符合，并且剂量强度可调，从而提高了肿瘤靶区的治疗剂量，降低正常组织的 吸收剂量，达到提高肿瘤治疗效果的目的【7 1 。 传统的放射治疗的主要缺点是不能把放射线局限在肿瘤区内，照射增益比普 遍较低，单次照射剂量不高，对肿瘤局部控制能力差。在有些情况下，肿瘤靶区本 身包含关键组织，采用传统放疗是无法进行治疗的。强度可调的适形放射治疗过 程采用反计划，首先由医生根据射野内的肿瘤的形态和性质给出处方剂量分布， 这个处方剂量包括肿瘤的照射剂量和关键组织的限制剂量，然后根据肿瘤和关键 组织的位置、组织的不均匀性、射野数目等因数，由计算机经反复迭代运算得出 每个射野的最佳射束强度分布，使得实际在体内形成的空间剂量分布与医生的处 电子科技大学硕士学位论文 方剂量最接近。它与以经验为基础，采用试尝与误差的方法得到的传统治疗计划 相比，主要优点有1 1 9 】： ( 1 ) 对于传统放疗无法进行治疗和治疗效果较差的复杂肿瘤结构，如肿瘤 靶本身包含关键组织、肿瘤靶无法在几何形状上与周围受侵犯的组织分开等情况 下，i m r t 都可以完成较好的治疗。 ( 2 ) 可在提高肿瘤靶区剂量分布的同时使关键组织保持低剂量分布。 ( 3 ) 可使肿瘤靶区的高剂量分布达到高度均匀。 ( 4 ) 因为强度可调的适形放疗技术是从医生制定的处方剂量分布出发，经 过计算机的反复迭代得出与之相接近的最佳解，故可减少试尝与误差所占用的工作 量与时间，并得到比传统放疗更加完善的治疗计划。 ( 5 ) 既可在产生一个治疗计划的同时满足多个处方的剂量分布要求，也可 按不同剂量处方给出各自独立的治疗计划。采用i m r t 方法后得到的d v h 曲线和 等剂量线，可看出仅在靶区形成高剂量分布。 调强放疗已经成为当今治疗肿瘤的最重要方式，而电动多叶光栅作为调强放 疗的必备设备，其重要性不言而寓。电动多叶光栅( d y n a m o e l e c t r i c m u l t i l e a f c o l l i m a t o r ) 又叫电动多叶准直器。一般主要由钨合金叶片、伺服驱动电机，控制 电路板等组成。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。在放射治疗中，放射 治疗系统根据肿瘤形状设计出照射野的形状，通过放疗网络将信息传递给电动多 叶光栅，它能够快速自动形成要求的射野形状，在最大程度保护了肿瘤周围的正 常组织的同时，让肿瘤得到更高剂量的照射。使用电动多叶光栅的好处有以下几 点： ( 1 ) 代替了传统复杂的铅挡块技术。 ( 2 ) 大大提高工作效率，使得更多的肿瘤患者能得到及时有效的治疗。 ( 3 ) 能设定多野适形技术。 ( 4 ) 可以完成复杂束流调强技术。 ( 5 ) 不需要铅挡块制作空间和储放空间。 ( 6 ) 绿色环保，减少铅污染环境，保护了工作人员的健康。 ( 7 ) 安全可靠，避免了治疗过程中铅挡块脱落的意外情况。 ( 8 ) 保护肿瘤周围的正常组织，提高肿瘤的治愈几率。 综上所述，强度可调的适形放疗( i m r t ) 不仅改善了传统铅档块技术存在的缺 陷，还提高了治愈肿瘤病人的几率，而且它代表了今后放射治疗技术的发展趋势。 2 第一章绪论 因此作为调强放疗系统的必备设备，电动多叶光栅的研发，特别值得引起我们的 重视。因为这种先进的放疗设备的发展，可使肿瘤患者得到更好的放射治疗服务， 提高其生存率和生存质量。 1 1 2 电动多叶光栅在国内外的发展现状 随着全球肿瘤患者数量的不断增加，在肿瘤放疗这方面有巨大的社会需求， 因此强度可调的适形放疗( i m r t ) 技术在国外得到了飞速发展。许多公司推出了相 关的产品，其中在强度可调的适形放疗( i m r t ) 技术上居领先地位的是美i n v a r i a n 公司和德国s i e m e n s 公司等。v a r i a n 公司电动多叶光栅的代表产品有m i l l e n n i u m m l c1 2 0 ，h d l 2 0m l c 等产品。配备了1 2 0 片叶片的电动多叶光栅m i l l e n n i u mm l c 1 2 0 ，是目前最为先进的全自动独立m l c ( 多叶准直器) 装置之一，可按照肿瘤任 一角度的视角形状，将x 射线适形为完全一致的形状，真正做到三维立体适形照射。 精确的定位方式和带坐标系的定位床，配合加速器的运动精度，完全保证了每次 治疗误差小于l m m 。v a r i a n 公司m l c 的不足之处是由于叶片多，m l c 较重，驱动 电机损坏的机会大，应备有足够的电机。s i e m e n s 公司的代表产品有m l c1 6 0 ， m o d u l e a f m l c 等产品。s i e m e n s 公司的m l c 采用双聚焦设计，叶片端面采取直立型 设计，叶片间微型滚珠轴承技术确保叶片运动过程不会产生羁绊，使得驱动电机 不易烧坏。美国v a r i a n 公司和德国s i e m e n s 公司的主要产品的性能参数如表1 - 1 所示。 表1 1 主要电动多叶光栅产品 型号生产厂商叶片厚度叶片对数最大照射野 m i l l e n n i u mm l c12 0v 撕a n5 m m6 04 0 x3 4 c m h d l 2 0m l c v a r i a n2 5 m m6 02 2 4 0 c m m l c1 6 0s i e m e n s5 m m8 04 0 4 0 e r a m o d u l e a fm l cs i e m e n s2 5 m m4 01 0 1 2 c r n 强度可调的适形放疗( i m r t ) 技术在国外飞速发展的同时，国内在这方面的发 展也较为迅速，国内生产m l c 的代表厂商有上海拓能医疗技术有限公司，其开发 的维纳斯电动多叶光栅( v e n u sd m l c ) ，主要性能指标为：叶片对数2 7 对，最小 叶片厚度3 m m ，叶片速度 1 5m m s ，叶片定位精度士o 2 5 r a m 。其兼容性能好，支 持所有厂家的加速器和钻机。据中华放射肿瘤学会2 0 0 2 年公布的对我国放射肿瘤 学队伍及设备进行的第四次调查结果显示，我国目前共有医用电子直线加速器 ( 瑚设备) 5 4 2 台，其中近3 0 0 台为国产设备。这次统计结果显示，国产设备所 电子科技大学硕士学位论文 占比例已经超过5 0 ，说明我国在i m r t 设备研制方面取得了长足的进步。特别是 2 0 0 0 年以后，北京和山东相继投资建成了国产放疗设备产业化基地，其基础设施 水平达到国际一流水准。产业基地的建成，标志着我国放疗设备事业已经进入更 高层次的发展阶段，为今后参与国际竞争奠定了坚实基础。作为调强放疗系统的 必备设备，高性能的电动多叶光栅机( m l c ) 的研制具有十分重要的意义。 1 2 电动多叶光栅设计任务及要求 v a r i a n 、s i e m e n s 等一些外国知名公司的多叶光栅一般都是和它们公司自己的 加速器配套在一起出售的，由于这些设备都需要从国外进口，因此购买整套设备 花费巨大。目前国内的一些中小医院拥有直线加速器，但并没有足够的财力从国 外进口一套这样的设备，因此它们用这些加速器对病人进行放射治疗时，只能使 用传统的铅挡块技术。这样的方法显然不能适应当前放疗技术发展的需要，让肿 瘤病人得不到更好的治疗。如果我们能设计一款独立的多叶光栅，与这些直线加 速器配套使用，就能更充分的发挥这些直线加速器的作用，使肿瘤患者得到更好 的治疗，提高病人的治愈率。 根据这样的现状，应某医疗公司要求，本教研室接受了设计并研制高性能的 电动多叶光栅样机的任务。该项目的总体目标是研制能实现静态适形( a p e r t u r e ) 、 静态调强( s t e p - a n d s h o o t ) 、动态调强( s l i d i n g - w i n d o w ) 功能的电动多叶光栅样机。电 动多叶光栅的主要性能指标和功能特性如下： ( 1 ) 叶片对数：2 9 对； ( 2 ) 叶片最大速率：1 5 m m s ； ( 3 ) 叶片定位精度：士0 1 m m ； ( 4 ) 叶片运动最大物理距：9 3 5 m m ； ( 5 ) 最大照射野：1 0 9 m m 9 0 m m ； ( 6 ) 主要功能：静态适形( a p e r t u r e ) 、静态调强( s t e p - a n d s h o o t ) 、动态调强 ( s l i d i n g - w i n d o w ) ； 本人承担的项目任务是：参与了系统结构的设计，完成了控制系统的硬件设 计，其中包括原理图的设计、p c b 板的绘制、以及a r m 和f p g a 内部程序的编写、 电动多叶光栅的硬件电路的调试及整机的调试。 4 第二章电动多叶光栅系统设计 第二章电动多叶光栅系统设计 21 电动多叶光栅系统组成 电动多叶光栅由钨合金叶片、微型直流电机、传动丝杆、控制电路板和机座 构成。如图2 1 所示。 图2 - 1 电动多叶光栅系统组成示意圈 按照设计要求，本项目研制的电动多叶光栅拥有5 8 个钨合金叶片，分为a 、 b 两组，每组2 9 个，分别安装在机座的左右两个叶片卡槽中。每个叶片通过传动 丝杆与微型直流电机相连接，微型直流电机通过自带的6 芯排线连接在控制电路 板的电机座子上。这样就能使控制电路板e 的a r m 控制电机驱动叶片进行运动。 如图2 - 1 所示，d m l c 的控制电路板有两块，分别为主控制电路板和从控制 电路板，它们的主要区别在于主控制电路板比从控制电路板多出一个主a r m ，每 个控制电路板上都有控制微型直流电机的a r m 、驱动芯片、静态随机存储器 ( s r a m ) 、f p o a 、电源接r n 、数据线接口等。它是d m l c 的核心部分，用于控制 钨台金叶片的运动，使叶片的定位精度达到要求，并通过数据接口与监控计算机 电子科技大学硕士学位论文 保持通信。 本项目中的电动多叶光栅采用高度集成、模块化的设计方案，高度集成主要 是指控制电路板上的集成度高，a r m 、电机的驱动芯片、f p g a 、s r a m 等控制多 叶光栅完成所有功能的器件都集成在一张控制电路板上。这样的设计能够方便控 制电路板安装在机座上，减少控制电路板占用的空间，从而减小电动多叶光栅的 体积。模块化主要是指f p g a 内部的设计，包括测速模块，测位模块、电机控制模 块、读写s r a m 模块等等。 2 2 电动多叶光栅控制系统的结构 电动多叶光栅控制系统的主要组成部分是监控计算机( p c ) 、a r m 核心控制部 分、a r m f p g a 信息管理和控制部分、电机驱动和控制部分。电动多叶光栅控制 系统结构框图如图2 2 所示。 图2 - 2 电动多叶光栅控制系统结构框图 6 第二章电动多叶光栅系统设计 从图2 2 中我们可以看到本次设计的特点，主a r m 做为控制系统的主控部分， 从a r m 作为从控制部分，构成了主从两级a r m 控制的结构。两级控制结构有利 于对叶片的分组控制，4 片从a r m 将叶片分为4 组，每个从a r m 对应一组，只 负责对叶片运行进行控制，而主a r m 只负责将从a r m 中的叶片数据读回，进行 叶片防碰撞的处理后，再将叶片数据发送到监控计算机进行显示。这样使得每一 级的控制效率都很高，能够实时监控叶片状态，保证电动多叶光栅在运行时稳定 可靠。如果仅采用一个a r m 做单级控制，那么这个a r m 将承担上述主从两级 a r m 的所有工作，仅靠一个a r m 将很难完成。而且a r m 在向监控计算机发送 数据是通过中断方式进行的，在中断时a r m 会失去对叶片的控制。因此在本次设 计中，采用了主从两级a r m 的控制结构。电动多叶光栅控制系统各组成部分功能 介绍如下： 1 监控计算机 主要功能： ( 1 )与a r m 核心控制部分进行通信； ( 2 ) 实时显示叶片的运动位置和状态； ( 3 ) 读取治疗病人的射野文件； ( 4 ) 控制电动多叶光栅机运行； 2 a r m 核心控制部分 主要功能： ( 1 ) 与监控计算机进行通信； ( 2 )与a r m f p g a 信息交换和控制部分通信； ( 3 )监控所有叶片的运行状态，防止叶片出现碰撞； ( 4 )监控外部信号b e a m o n 、l i g h t 的状态； 3 a r m f p g a 信息管理和控制部分 主要功能： ( 1 )产生控制电机的驱动信号，并传送给电机驱动和控制部分； ( 2 )读取叶片的速度和位置的反馈信息，通过p i d 算法实现对叶片的速度 和位置的双闭环控制。 ( 3 )根据收到的命令，将叶片的坐标信息写入s r a m 或者从s r a m 中读取 叶片的坐标信息。 ( 4 ) 与a r m 核心控制部分进行通信； ( 5 )检测外部的信号如电机的反馈信号、光电传感器的输出信号等； 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 处理并记录叶片的位置信息； 4 电机驱动和控制部分 主要功能： ( 1 ) 根据接收到的电机驱动信号，控制电机驱动叶片运行，使其运行到设 定的位置，形成射野。 ( 2 ) 电机的旋转编码器产生反馈脉冲，以供f p g a 记录下叶片的位置。 电动多叶光栅的工作流程：监控计算机读取由t p s 系统生成的射野文件，然后 解析得到文件里包含的病人的个人信息及射野名称等信息，并计算出形成该射野 的形状，需要各对应的叶片完成的位移量。再把这些数据传送到主a r m 中并验证， 确保数据传输的准确性。 主a r m 接收到从监控计算机传送下来的数据后，进行分类判断，然后根据叶 片的编号信息，将收到的这些数据分别传送到对应的从a r m 中。从a r m 接收到主 a r m 传送下来的数据后进行解析，将其转换为电机的实际控制量，写入f p g a 中控 制电机的各个模块中。在接收到启动命令后，叶片开始运行，此时从a r m 通过和 f p g a 的数据交换，获取叶片的位置信息和速度信息，并根据这些数据，控制电机 驱动信号的变化，来调节叶片的速度，以及使叶片能按照设定的速度运动到和指 定的位置，形成和射野文件相符合的形状。 2 3 电动多叶光栅控制系统的主要器件 控制系统的主要器件有a r m 和f p g a 以及电机驱动芯片a 3 9 6 8 s l b 。 1 a r m p h i l i p s 公司的l p c 2 1 0 0 系列基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i sc p u ，并带有1 2 8 2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位 宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对 代码规模有严格控制的应用可使用16 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ， 而性能的损失却很小f 1 7 】。 由于l p c 2 1 0 0 系列采用非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、 4 路1 0 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断，这使它们特别适用于工业控 制、医疗系统、访问控制和电子收款机( p o s ) 等应用领域。由于内置了宽范围的串 行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器 以及其它各种类型的应用f 1 7 】。 8 第二章电动多叶光栅系统设计 l p c 210 0 系列的a r m 的主要特性1 1 7 】： 8 16 3 2 6 4 l 出片内s r a m ； 3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器； 1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达6 0m h z 工作频率； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) ；f l a s h 编程时间：l m s 可编程2 5 6 字节，扇区擦除或整片擦除只需要4 0 0 m s ； e m b e d d e di c e 可实现断点和观察点； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接1 2 ( 4 0 0k b p s ) 和2 个s p i 接口； 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； 根据l p c 2 0 0 0 系列的功能特性，以及电动多叶光栅对a r m 数据处理速度和 控制功能的要求，再考虑到要烧入片内f l a s h 程序的大小为2 6 k ，我们此次设计 采用了l p c 2 0 0 0 系列中片内r a m 为1 6 k ，片内f l a s h 为6 4 k ，拥有4 8 个i o 引脚的a r ml p c 2 1 3 2 。 2 f p g a a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 是目前市场上性价比最优且价格最低的 f p g a 。c y c l o n e 器件具有为大批量价格敏感应用优化的功能集，这些应用市场包 括消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类。 c y c l o n e 系列的f p g a 的主要特性【1 5 1 ： 具有多达2 0 0 6 0 个逻辑单元可用来实现复杂的应用； 具有多达1 2 9 个兼容l v d s 的通道，每个通道数据率高达6 4 0 m b p s ； 支持各种单端i o 接口标准，3 3 v 、 2 5 v 、1 8 v 、l v t t l 、l v c m o s 、 s s t l 和p c i 标准，满足当前系统需求； 具有两个可编程锁相环( p l l ) 和八个全局时钟线，提供健全的时钟管理和 频率合成功能，实现最大的系统性能。 支持诸如p c i 等串行、总线和网络接口，可访问外部存储器件和多种通信 协议如以太网协议； 根据a l t e r a 公司c y c l o n e 系列f p g a 的功能特性，以及f p g a 内部设计的实 际需要，再考虑到对于每个f p g a 我们都需要使用1 2 5 个i o 引脚与外部电路连接， 因此在本次设计中我们采用了逻辑单元( l e ) 为5 9 8 0 个，r a m 总量为9 2 1 6 0 个，提 供给用户1 8 5 个i 0 引脚的f p g a e p l c 6 q 2 4 0 c 8 。 3 a 3 9 6 8 s 1 ，b 9 电子科技大学硕士学位论文 本次设计中我们使用的是m a x o n 精密直流电机来驱动叶片进行运动，电机 的型号1 18 4 8 7 ，电机参数为：额定功率2 5 w ，额定电压1 5 v ，空载电流8 8 5 m a ， 额定转速7 4 6 0 r m i n ，额定电流2 3 5 m a ，堵转电流6 9 9 m a 。 为此直流电机选择一款适合的驱动芯片是非常重要的，驱动芯片必须要为直 流电机提供足够和适当的驱动能力，提供的驱动能力太小将限制电机的功率输出， 如果提供的驱动能力太大则可能使电机处于过载状态中，会影响电机的使用寿命。 因此我们综合考虑了电机的额定电压、额定电流、以及堵转电流，选用了a l l e g r o 公司的电机驱动芯片a 3 9 6 8 s l b ，它的最高输出电压为+ 3 0 v ，最大输出电流为 6 5 0 m a 。电机驱动叶片正常运动时，我们通过测试发现驱动电流仅需9 0 m a ，因此 a 3 9 6 8 s l b 完全能够满足这款直流电机的驱动需求，而且它的最大输出电流小于电 机的堵转电流，能对电机起到极大的保护作用。a 3 9 6 8 s l b 还带有刹车模式，能够 迅速使电机制动并停止，使得控制叶片从运动到停止更为方便。 以下各章节分别就a r m 核心控制部分、a r m f p g a 信息交换和控制部分、 电机驱动和控制部分和d m l c 系统的通信设计方案进行详细说明。其中第三章主 要介绍了a r m 核心控制部分、a r m f p g a 信息交换和控制部分、电机驱动和控 制部分的功能及实现。第四章介绍了串口总线及1 2 c 总线，a r m 与f p g a 之间自 定义总线通信的实现。第五章介绍了多叶光栅硬件调试方法及功能指标的测试方 法，并对测试中发现的问题进行了分析讨论，最后提出了一些改进意见。 1 0 第三章d m l c 控制系统的硬件设计 第三章d m l c 控制系统的硬件设计 d m l c 控制系统的主要功能就是控制叶片实现多叶光栅的静态适形、静态调强 ( s t e p - a n d s h o o t ) 、动态调强( s l i d i n g w i n d o w ) 功能。d m l c 控制系统的硬件由删 核心控制部分、a r m f p g a 信息交换和控制部分、电机的驱动和控制部分构成。 3 1a r m 核心控制部分 a r m 核心控制部分从结构上来说讲，它向上连接监控计算机，向下连接作为 控制系统从a r m 的下一级a r m 。从功能上来讲，它接收监控计算机发送的数据， 转发到下一级a r m ，并从下一级a r m 读取所有需要的与叶片相关的数据，分析 处理这些数据后，向监控计算机返回，并向下一级a r m 发出它的控制命令。由此 可见，a r m 的核心控制部分是整个控制系统的通信中枢，承担了大量的通信以及 协调任务。 3 1 1 核心控制部分电路设计 核心控制部分电路由一片作为控制系统主a r m 的l p c 2 1 3 2 及其外围电路， 以及复位芯片s p 7 0 8 构成。主a r m 的串口通过电平转换芯片与监控计算机的串口 连接，主a r m 的i 2 c 接口同时与4 个从a r m 的i 2 c 接口相连接。 系统采取1 个主a r m 加4 个从a r m 分级控制的结构是因为叶片在运行的过 程中有可能发生叶片追尾的情况，为了避免出现这样的情况，需要监测叶片所有 的运行状态，包括速度以及在同一水平线上对叶片相互间的位置。叶片的相关 信息是通过从a r m 与f p g a 之间的自定义总线读取的，数据速度相对较慢，如果 只用一个a r m 来控制并监测所有叶片，会产生控制的盲区，这是因为叶片的控制 是采取轮询方式进行的，对某一叶片实施控制后，再次对其实施控制之前需要对 剩下的5 7 个叶片进行控制，在这段时间里a r m 没有办法对此叶片进行控制。因 此为了减少轮询等待的时间，我们将叶片分为a ，b 两组，每组2 9 个叶片，每一 组都用2 个a r m 去控制，一个a r m 控制1 6 个叶片，另一个a r m 控制剩下的 1 3 个叶片，这样就使得a r m 轮询控制叶片的时间变短，消除控制上的盲区，使 控制更加准确。叶片采用分组控制后，每个a r m 只有自己控制的叶片数据，要预 电子科技大学硕士学位论文 防叶片追尾的情况，必须得到所有叶片的数据，因此我们单独使用了一个主a r m 来从控制叶片运动的4 个从a r m 中依次读取所有的叶片数据，用于防止叶片追尾 和碰撞的控制。 在核心控制部分电路中，需要注意的问题是外接晶振频率的选择，考虑到主 a r m 要与监控计算机进行串口通信，而串口通信的波特率是由外设时钟f p c l k 决定 的，外设时钟f 辨l k 必须是波特率的1 6 倍。而外设时钟是通过处理器时钟频率f c c l k 分频得到的，所以我们选择外接晶振频率必须是1 6 的整数倍。 为了提高主a r m 的数据处理能力，以及整个系统的实时性，我们选择使用锁 相环p l l ，来提高a r m 处理器的时钟频率f l k 。p l l 的接收输入时钟频率为 1 0 2 5 m h z 。输入频率通过一个电流控制振荡器c c o 倍增到1 0 6 0 m h z ，倍频器 可以是从l 3 2 的整数，但实际上，由于c p u 最高频率6 0 m h z 的限制，l p c 2 1 3 2 的倍频值不能高于6 。 综合考虑，我们选择频率为1 1 0 5 9 2 m h z 的外接晶振，将a r m 内部的锁相环 p l l 设置为4 倍频，得到4 4 2 3 6 8 m h z 的处理器时钟频率。 3 1 2l p c 2 1 3 2 的复位电路 在本次设计中，对于l p c 2 1 3 2 我们采用了外部复位的方式，预置了两种外部 复位的方案。首选方案是使用s i p e x 公司的复位芯片s p 7 0 8 搭建的外部复位电路来 对a r m 进行复位，备用方案是使用f p g a 对a r m 进行复位。 在实际调试中，我们发现d m l c 在工作时如果需要运动的叶片超过一半，那 么在叶片启动的一瞬间会产生较大的冲击电流，会给电源带来一个较大的波动。 复位芯片s p 7 0 8 对这个电源上的波动比较敏感，有时候会造成它的误动作，将所 有的a r m 直接全部复位，这将导致主从a r m 中的数据全部丢失，重新回到初始 化状态，叶片也会停止运行。这对于整个系统来说显然是个不可接受的缺陷。 因此我们启动了备用方案，在f p g a 内部编写一个复位模块来实现对a r m 的 复位功能。a r m 复位模块如图3 - 1 所示。 r s t 1 0 kr s t o u t l ， e l k l o kr s t o u t i n s t 9 7 图3 1a r m 复位模块 1 2 第三章d m l c 控制系统的硬件设计 当系统上电后，f p o a 中的复位模块开始对频率为1 0 k h z 的输入信号进行计 数，并将输出信号t s o u t 置为低，当计数值到达1 0 0 0 后，复位模块停止计数，并 且将输出信号r s o u t 置为高。这样就给a r m 提供了l o o m s 的低电平复位时间。a r m 复位模块的功能仿真图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 a r m 复位模块功能仿真图 在使用了f p g a 内部编写的复位模块对a r m 进行复位后，因叶片启动瞬闻冲 击电流过大，引起电源电压波动而造成a r m 复位的误动作问题得到了彻底的解 决，保证了a r m 复位电路的可靠性和稳定性。 3 1 3 主a r m 的通信中枢功能 主a r m 在硬件上通过串口连接监控计算机，通过1 2 c 接口连接4 个从a r m 。 我们控制d m l c 的所有命令是从监控计算机的串口往下发送的，而实际控制电机 执行操作的是从a r m ，因此主a r m 必须将从串口接收到的控制命令，通过1 2 c 接口转发到每个从a r m ，才能保证控制命令的顺利执行。当d m l c 开始工作时， 只有控制叶片运动的从a r m 通过它与f p g a 之间的自定义总线，才能读取叶片的 所有信息。从a r m 在读取这些信息后把它们存放在自己的内部r a m 中。监控计 算机想要得到这些信息，只能先通过控制主a r m 将存放在从a r m 内部r a m 中 的叶片信息读取到主a r m 内部r a m 中，然后再通过串口读取主a r m 内部r a m 中的叶片信息。可见主a r m 向上要通过串口收发数据，向下要通过1 2 c 总线收发 数据，帮助监控计算机和从a r m 完成数据交换，因此主a r m 在系统中起到了一 个通信中枢的作用。 主a r m 选用的是l p c 2 1 3 2 ，我们使用它的标准的异步串行口u a r t 0 进行串 口数据的收发，根据u a r t 0 的f 瑾o 控制寄存器的特性，触发点只能为1 、4 、8 和1 4 字节，为了编程的方便，我们将f i f o 的触发点设置为8 字节的定长，也就 是说p c 与a r m 之间的串口通信一次只能收发8 个字节。因此我们的控制命令和 坐标数据都必须以8 个字节为基本单位来设置和定义。主a r m 与监控计算机之间 的串口通信通过中断方式进行。 糙 电子科技大学硕士学位论文 在上电复位后，主a r m 首先进行初始化，然后等待接收串口的数据。如果接 收到串口的数据，就判断接收到的数据是控制命令还是坐标数据，如果是控制命 令就进入执行相应的控制子程序，如果是坐标数据，就按照坐标数据中包含的叶 片编号信息，将其发送到对应的控制此叶片的从a r m 中。如果判断出既不是控制 命令也不是坐标数据，那么将其视为无效数据，继续等待接收串口数据。主a r m 软件流程如图3 3 所示。 图3 - 3 主a r m 软件流程图 3 1 4 主a r m 的防叶片碰撞功能 叶片运动时，每个从a r m 只能获取自己控制的叶片的信息，并不知道其它叶 片的信息，那么控制a 组叶片运动的从a r m 不会知道对面的b 组叶片运动的情 1 4 第三章d m l c 控制系统的硬件设计 况，同理那么控制b 组叶片运动的从a r m 不会知道对面的a 组叶片运动的情况。 在发生故障的条件下，a 组和b 组的叶片就有可能发生碰撞。因此防止叶片碰撞 的任务，只能由能够获取所有叶片信息的主a r m 来完成。 主a r m 防碰撞的功能是从两个方面入手来实现的： 一是检查坐标数据的有效性，监控计算机发送坐标数据时，是按照a ，b 两组 叶片中处于同一水平线上的一对叶片来发送的，因此当主a r m 收到了这一对叶片 的坐标数据，就会检查这一对叶片的坐标是否有重叠，如果有主a r m 就不会将这 一对坐标数据发送到相应的从a r m 中，然后会置位叶片坐标出错的标志位，并发 送回监控计算机，提示发送的坐标数据有误。这样就消除了人为发送错误坐标而 引起的叶片碰撞的可能性。 二是在叶片运动的时候实时监控叶片的位置，在发现叶片间有碰撞可能的时 候，对叶片实施控制，防止它们碰撞。叶片开始运动后，主a r m 每隔3 0 m s 通过 1 2 c 总线读取一次叶片( 2 9 对) 的信息，然后逐对检查是否有碰撞的趋势。从获取 的叶片信息中，我们可以得到每个叶片的运动方向、运动速度以及实时的位置。 当叶片同向运动时，如果一对叶片中的两个叶片之间的距离小与3 m m ，并且处于 追随状态的叶片速度比另一叶片速度快时，这时主a r m 会判定这两个叶片有碰撞 的趋势，会向控制它们运动的从a r m 发出让处于追随状态的叶片减速和让另一叶 片加速的控制命令，防止它们之间出现碰撞的情况。待它们之间的距离大于3 m m 后，主a r m 再向控制它们运动的从a r m 发出恢复原速的命令。当叶片相向运动 时，由于我们检查过坐标数据的有效性，不会出现叶片位置重叠的坐标，因此如 果要出现叶片碰撞的情况一定是叶片失控的情况，那么主a r m 在检查到叶片有失 控情况的时候，会马上发出控制命令关闭此叶片的驱动电机，并向监控计算机发 出警报。 3 2a r m 。f p g a 信息管理和控制部分 3 2 1 信息管理和控制部分电路设计 信息管理和控制部分电路由一片作为控制系统从a r m 的l p c 2 1 3 2 、一片 f p g a 、一片s r a m 及它们外围电路连接构成。从a r m 的1 2 c 接口与主a r m 的 1 2 c 接口相连接，从a r m 与f p g a 之间通过1 9 个通用i o 口相连接，1 6 个i o 口 做地址数据分时复用的自定义总线，剩下的3 个i o 口做控制线。s r a m 与f p g a 电子科技大学硕士学位论文 直接相连接，对s r a m 的读写全部通过f p g a 来操作。 在信息管理和控制部分电路中，f p g a 的作用非常重要，是从a r m 不可替代 的。我们不使用从a r m 直接去控制叶片而用f p g a 控制叶片的原因在于控制一个 叶片需要4 个i o 口，2 个用于给驱动芯片控制信号，另外2 个用于记录叶片运动 时旋转编码器产生的反馈脉冲，每个a r m 控制1 6 个叶片，那么用于控制叶片的 i o 口就需要6 4 个，而作为从a r m 的l p c 2 1 3 2 一共才6 4 个i o 引脚，显然用它 直接去控制叶片是不现实的，而且用f p g a 来对反馈脉冲计数，更为可靠、简单、 方便。同理，s r a m 也需要从a r m 通过f p g a 来控制，因为从a r m 没有足够的 1 0 口而不能直接进行控制。可见从a r m 对s r a m 和叶片的控制都需要通过f p g a 进行，因此从a r m 与f p g a 之间必须建立连接。由于此款a r ml p c 2 1 3 2 自己不 带总线，为此我们用从a r m 的1 9 个i o 口与f p g a 直接相连，建立起了自定义的 总线，通过模拟总线操作来实现对叶片和s r a m 的控制。 3 2 2 叶片坐标数据的存储 叶片的坐标数据在电动多叶光栅不同的工作模式下的存储机制是不同的，从 a r m 担负着管理叶片坐标数据存放的任务。 在a p e r t u r e 模式下，多叶光栅只需要完成一个治疗射野，因此从a r m 只需要 存储一组坐标数据。每一个坐标数据是由两部分组成，一部分是位移，另