（機械工程專業(yè)論文）直線加速器治療床控制系統(tǒng)的設計與開發(fā).pdf

摘要 摘要 本課題以廣東中能加速器有限公司的o m a x 型直線加速器的治療床為控制對 象，研究了加速器治療床的運動控制系統(tǒng)。論文具體分析了系統(tǒng)的設計要求，闡述 了系統(tǒng)的功能，介紹了系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。 本操作系統(tǒng)系統(tǒng)的控制對象是直線加速器治療床，實現(xiàn)治療床縱向和垂直方向 運動的自動控制及檢測功能，這兩個方向運動均采用直流伺服電機驅動。治療床同 時具有現(xiàn)場手動操作和上位機遠程操作。本控制系統(tǒng)主要由控制模塊、驅動模塊和 上位機三部分構成。本系統(tǒng)選用a v r 系列單片機作為控制核心，采用p w m 方式控 制直流伺服電機。在閉環(huán)速度控制中選用p i d 控制算法進行閉環(huán)控制，使控制系統(tǒng) 具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。檢測功能使用a d 轉換器對電壓值進行采集，從而檢 測治療床的電機轉速和位置。 為了降低功率模塊電壓對控制核心的干擾，本系統(tǒng)將控制部分與功率部分放置 于不同的電路板上。系統(tǒng)的硬件電路板主要包括運動控制模塊和電機驅動模塊。主 控制板是系統(tǒng)的核心部分，包括以單片機為主控元件的控制核心，電壓信號檢測電 路，電源電路，串口通信電路和一些外圍輔助電路。電機驅動板是系統(tǒng)直接連接兩 臺被控電機的執(zhí)行部分，主要包括小功率驅動電路、過流保護電路以及大功率h 橋 驅動電路。 本系統(tǒng)的軟件由兩個部分組成，即上位機遠程操作程序和a v r 單片機控制程 序。上位機是系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話的部分，操作人員通過上位機上的操作軟件可以實 現(xiàn)對治療床進行遠程操作并且實時監(jiān)視治療床的狀態(tài)。a v r 單片機控制程序采用c 語言進行編寫，使用i c c a v r 編譯器進行編譯。設計方式是采用模塊化設計，提高 了程序的可讀性和可移植性。主要的程序模塊有：主程序、p i d 算法模塊，串口通 信模塊、電壓值采集模塊、p w m 波控制模塊和運動控制模塊等。 關鍵詞：a v r 單片機：p w m 控制；p i d 算法；h 橋驅動電路 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 a bs t r a c t t h ec o u c hc o n t r o ls y s t e mf o rl i n e a ra c c e l e r a t o ri s d e v e l o p e di nt h i sp r o je e t a n d t h ec o n t r o lo b j e c ti st h ec o u c ho f0 - m a xl i n e a ra c c e l e r a t o re q u i p m e n ti ng u a n g d o n g s p a c o c o m p a n y 1 nt h et h e s i s ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h ef u n c i t i o n sa r ea n a l y z e di n d e t a i l ，a n dt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ，i s e x p a t i a t e dc l e a r l y t h ec o n t r o lo b je c to ft h es y s t e mi st h ec o u c ho fl i n e a ra c c e l e r a t o re q u i p m e n t ，a n d t h ep u r p o s eo ft h es y s t e mi st or e a l i z et h em o t i o nc o n t r o la n dd e t e c t i n gf u n c t i o nf o rt h e c o u c hl e n g t h w a y sm o v e m e n ta n dv e r t i c a lm o v e m e n t t h i st w om o t i o n s & r ed r i v e nb yd c s e r v om o t o r t h ec o u c hh a st w oc o n t r o lm o d e s ：i n c l u d i n gl o c a lm a n u a lo p e r a t i o na n d u p p e r - c o m p u t e rr e m o t eo p e r a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e mc o m p o s e do fc o n t r o lm o d u l e ，d r i v e m o d u l ea n du p p e r - c o m p u t e r t h ec o n t r o lu n i ti sd e s i g n e dw i t ha v rs e r i e sm c ua st h e c o n t r o lc o r e t h ed cs e r v om o t o ri sc o n t r o l l e di np w mw a y t h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m s i su s e di nc l o s e - l o o ps p e e dc o n t r o l ，a n dt h es y s t e mh a s g o o dd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e t h es y s t e mu s ea dc o n v e r t e rm e a s u r i n gv o l t a g ei nd e t e c t i n gm o t o rs p e e d a n dp o s i t i o no ft h ec o u c h t ol o w e rt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e np o w e rm o d u l ea n dc o n t r o lc o r e ，t h ec o n t r o lp a r t a n dt h ep o w e rp a r ta r ed i s p l a c e do nd i f f e r e n tb o a r d s t h es y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e sm a i n m o t i o nc o n t r o lm o d u l ea n dm o t o rd r i v e rm o d u l e m a i nc o n t r o lm o d u l ei st h ek e yp a r t ， i n c l u d i n gm c u c o n t r o lc o r e ，v o l t a g es i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i t m o t o rd r i v e rm o d u l ei sc o n n e c t e d d i r e c t l yw i t ht h et w om o t o r s ，i n c l u d i n gl o w p o w e rd r i v e rc i r c u i t ，o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n c i r c u i ta n dh i g h - p o w e rh b r i d g ed r i v e rc i r c u i t t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d i n gt w op a r t s ：t h er e m o t eo p e r a t i o n s o f t w a r ei nu p p e r - c o m p u t e ra n dt h em c uf i r m w a r e t h eu p p e r - c o m p u t e ri st h e e q u i p m e n tt h a tr e a l i z em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n t h eu s e r sc a nr e m o t e l yo p e r a t et h e c o u c ha n dm o n i t o rs t a t u so ft h ec o u c hb yu s i n g o p e r a t i o ns o f t w a r ei nt h eu p p e r c o m p u t e r t h ea v rm c uf i r m w a r ei sd e s i g n e db ycl a n g u a g ea n dc o m p i l e db yi c c a v r i i a b s t r a c t c o m p i l e r a n dm o d u l a r i z ed e s i g ni su s e dt oe n h a n c et h er e a d a b i l i t ya n df a c i l i t y o f t r a n s p l a n t t h em a i nm o d u l e si n c l u d et h em a i np r o g r a m ，p i dc o n t r o la l g o l i t h m ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，v o l t a g es i g n a ld e t e c t i n g ，p w mc o n t r o la n dm o t i o nc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：a v rm c u ，p w mc o n t r o l ，p i da l g o l i t h m ，hb r i d g ed r i v e rc i r c u i t 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i c h a p t li n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e s t u d y 1 1 2t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fm o t i o nc o n t r o l 3 1 3r e s e a r c ho nc o n t e n to ft h es u b j e c t 4 1 4t h es t r u c t u r eo ft h ep a p e r 5 1 5s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 c h a p t 2t h e o v e r a l ld e s i g no ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m 7 2 1t h ed e s i g no fr e m o t eo p e r a t i o n 8 2 1 1t h ed e v e l o p e rk i t so fo p e r a t i o np r o g r a m 8 2 1 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 9 2 2t h ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o l 1l 2 2 1t h ea n a l y s i sa n dc h o o s eo ft h ec o r e 1l 2 2 2t h ed e s i g no fc l o s e l o o ps p e e dc o n t r 0 1 12 2 2 3t h ed e s i g no fd e t e c t i o n 16 2 3t h ed e s i g no fm o t o rd r i v e r 18 2 3 1 】 ib r i d g ed r i v e rc i r c u i t 18 2 3 2l m d l8 2 0 0d r i v e rc h i p 2 0 2 4s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 21 c h a p t 3t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mc i r c u i t 2 2 ： 1t h ec i r c u i td e s i g no fm o t i o nc o n t r o lm o d u l e 2 2 3 1 1t h ed e s i g no fm c u 2 3 3 1 2t h ec i r c u i td e s i g no f p o w e r 2 5 3 1 3t h ec i r c u i td e s i g no f s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 2 6 v i c o n t e n t s ：；1 4t h ec i r c u i td e s i g no fd e t e c t i o n 2 7 ：；1 5t h ec i r c u i td e s i g no fi s o l a t i o n 2 8 3 2t h ec i r c u i td e s i g no fm o t o rd r i v e rm o d u l e 2 9 3 2 1t h ec i r c u i td e s i g no fl o w - p o w e rd r i v e r 2 9 3 2 2t h ec i r c u i td e s i g no fo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n 31 3 2 3t h ec i r c u i td e s i g no fh i g h p o w e rd r i v e r 3 2 3 3s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 3 3 c h a p t 4t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e 3 5 4 1t h ed e s i g no fr e m o t eo p e r a t i o ns o f t w a r e 3 5 4 1 1t h ed e s i g no fi n t e r f a c e 3 5 4 1 2t h er u l eo fd a t at r a n s m i s s i o n 3 6 4 2t h ed e s i g no fm c uc o n t r o lf i r m w a r e 3 9 4 2 1t h ed e v e l o p e rk i t so fm c uf i r m w a r e 4 0 4 2 2t h ed e s i g no fm a i np r o g r a m 4 1 4 2 3t h ed e s i g no fd a t at r a n s m i s s i o n 4 2 4 2 4t h ed e s i g no fd a md e t e c t i o n 4 3 4 2 5t h ed e s i g no fp w mc o n t r o lp r o g r a m 4 4 4 2 6t h ed e s i g no fp i da d j u s t e r 4 5 4 2 7t h e d e s i g no f m o t i o nc o n t r o lm o d u l e 4 7 4 3s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 4 9 c h a p t 5 t h e a p p l i c a t i o no fc o n t r o ls y s t e m 5 0 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 2 g e n e r a lc o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 5 3 c o n c l u s i o n s 5 3 p r o s p e c t 5 4 r e f e r e n c e ! ；! ； p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e rs t u d y 5 8 o r i g i n a ls t a t e m e n t 5 9 a c k n o w l e d g e 6 0 v n 第一幸緒論 1 1 課題研究背景與意義 第一章緒論 隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，使用放射技術對惡性腫瘤進行治療已經(jīng)在各大的醫(yī) 院中廣泛應用。放射治療技術的發(fā)展與加速器技術的發(fā)展密切相關，在過去的一個 世紀中，不斷有新的技術和裝置的出現(xiàn)，也不斷有一些退出，但醫(yī)用加速器依然為 最主要的放射治療設備。當前醫(yī)用加速器的代表是醫(yī)用電子直線加速器，醫(yī)用電子 直線加速器不僅是加速器中臺數(shù)最多的一種，也是各種放射治療裝置中臺數(shù)最多的 一種。 據(jù)“九五期間全國醫(yī)療照射水平調查研究”的調查統(tǒng)計，我國每年急需接受放 射治療的患者為1 4 0 萬人，而實際上真正接受放射治療的患者僅有約5 0 萬人，由于 放射治療設備的缺乏，大部分患者得不到應有的治療機會。國際上把每百萬人口擁 有醫(yī)用加速器臺數(shù)作為表征一個國家的衛(wèi)生事業(yè)水平重要指標，美國等發(fā)達國家這 個指標達到1 0 臺以上，我國醫(yī)用加速器數(shù)量增加很快，總數(shù)雖然已超過6 0 0 余臺， 但每百萬人口擁有量僅約為o 4 5 臺，遠不及發(fā)達國家，據(jù)統(tǒng)計，目前我國的腫瘤 發(fā)病率已經(jīng)進入高發(fā)期，國內需求缺口巨大，但由于設備價格原因嚴重制約了醫(yī)療 機構對病患進行正確診治能力的發(fā)揮。在此背景下，國內很多大型醫(yī)療器械企業(yè)投 入到醫(yī)用加速器的研發(fā)當中。作為其中的國內少數(shù)掌握電子加速器關鍵技術和擁有 多項相關專利，專門從事各類加速器研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及加速器技術應用的高新科 技企業(yè)的廣東中能加速器科技有限公司一直致力于電子直線加速器的研發(fā)。 本設計的研究對象直線加速器治療床是醫(yī)用直線加速器中的重要組成部分，其 主要的作用是在使用直線加速器進行腫瘤治療時支撐病員，方便醫(yī)生將病員的病灶 置于輻射野內進行治療，因此其運動精度和可靠性非常重要。為了能給病人提供更 好放射性治療，不少的公司和研究機構致力于開發(fā)出一套高精度的多功能治療床方 案，這方面產(chǎn)品做得比較好的例如山東新華的x h a l 4 0 0 醫(yī)用電子直線加速器配套 的精確治療床，以及西門子生產(chǎn)的5 5 0 t x t 治療床等，這些治療床都具有較高的運 動精度。 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 1 課題的提出作為國內具有多年電子直線加速器研發(fā)經(jīng)驗的廣東中能加速 器科技有限公司一直致力于醫(yī)用直線加速器的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，其中0 m a x 型醫(yī)用 直線加速器是在消化了美國著名生產(chǎn)廠商瓦里安相關技術前提下，進行國產(chǎn)化的一 套產(chǎn)品。在國產(chǎn)化的過程中，由于沒有現(xiàn)成配套的運動控制和檢測系統(tǒng)，所以公司 需要自主研發(fā)一整套的運動控制和檢測系統(tǒng)，治療床運動控制系統(tǒng)屬于其中的一個 子模塊，該模塊的可靠性和穩(wěn)定性對整套直線加速器的實際使用具有非常大的影響。 研發(fā)出一套運行可靠的直線加速器治療床的運動控制系統(tǒng)，對治療床的實驗和生產(chǎn) 具有非常大的意義。 2 課題來源針對廣東中能加速器有限公司所提出的需求，本課題以研發(fā)的 醫(yī)用直線加速器治療床為對象，完成其運動控制部分的研究，使其能夠精確平穩(wěn)的 運動，在醫(yī)用臨床試驗中驗證其可靠性，并迸一步投入到市場中。 3 研究意義隨著計算機技術和腫瘤放射物理技術的飛速發(fā)展，放射治療已 成為當今腫瘤治療的重要手段之一，而且其實現(xiàn)的技術方法和臨床療效也得到了很 大提高。目前已從普通放療發(fā)展到三維適型放射治療( t h r e e d i m e n s i o n a lc o n f o r m a l r a d i a t i o nt h e r a p y ，3 d - c r t ) ，調強放射治療( i n t e n s i t y m o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p y ， i m r t ) ，使腫瘤放射治療向精確定位、精確計劃設計、精確治療的良性發(fā)展，從而 取得更好的治療效果”。 上述新技術的實現(xiàn)都與腫瘤精確定位密切相關，在現(xiàn)代的放射治療中，治療床 是其重要的組成部分。治療床運動精度的高低直接影響到放射治療中對治療區(qū)域的 定位，而且如果治療床能實現(xiàn)比較平穩(wěn)的運動，則會減少患者在治療中產(chǎn)生的恐懼 感。所以研制出具有高精度和運動平穩(wěn)的治療床具有非常重要的意義和非常好的市 場前景。 廣東中能加速器有限公司所生產(chǎn)的治療床主要是參考了美國著名的醫(yī)療器械 生產(chǎn)廠商瓦里安所生產(chǎn)用于放射治療的治療床。該公司所生產(chǎn)的治療床的機械結構 具有高精度和高穩(wěn)定性的特點，但在床體的國產(chǎn)化過程中，由于沒有配套的運動控 制系統(tǒng)，而如果購買整套控制系統(tǒng)則大量增加了生產(chǎn)成本。因此，研制出一套適用 方便，運行可靠的治療床運動控制系統(tǒng)，對床體的生產(chǎn)和實驗都具有重大意義。 2 第一章緒論 1 2 電動機運動控制的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 電動機作為最主要的機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領 域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi) 生，商務和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產(chǎn)品( 如電冰箱， 空調，d v d 等) 中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在所有動力資 源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于 電動機的。在電氣時代，對電動機進行簡單控制應用的比較多，主要是實現(xiàn)電動機 啟動，正反轉控制，加減速和制動，該類控制可通過開關元件和可編程控制器實現(xiàn)。 還有一類控制稱為復雜控制，是指對電動機的電壓，電流，轉角，轉速，轉矩，功 率等物理量進行控制。 如今，大部分高精度的直流電動機都配備了伺服系統(tǒng)，我們稱之為直流伺服電 機。伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)，是自動控制系統(tǒng)的一種，它用來控制被控對象的位 移( 或轉角) ，使其能夠精確和連續(xù)地自動復現(xiàn)輸入命令的變化，它通常是具有負反 饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在應用中，一般是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制 系統(tǒng)，例如機械臂等n 1 。 伺服控制技術是自動化學科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務最廣泛的一個分 支。它經(jīng)歷了發(fā)電機一電動機系統(tǒng)、晶體管控制、集成電路控制、計算機控制的發(fā) 展過程，至今進入了全新的鼎盛時期?，F(xiàn)代伺服控制技術的主要特征為n 1 ： 1 全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調制技術在伺服系統(tǒng)中廣泛使用。 2 各種伺服控制元件與線路想著集成化、功能化、模塊化、智能化、便于計算 機控制的方向發(fā)展。 3 伺服系統(tǒng)的可靠性設計及自診斷技術伴隨著系統(tǒng)功能、性能復雜化程度的升 級而受到人們的普遍重視 可以簡單地用圖1 1 來表示伺服系統(tǒng)的組成，包括調節(jié)器、檢測裝置、放大裝 置和執(zhí)行部件，其中檢測裝置用來檢測系統(tǒng)的輸出信號。為使各部件之間有效地組 配和使系統(tǒng)具有良好的工作品質，一般還有信號轉換線路和補償裝置，以及相應的 能源設備、保護裝置、控制設備和其他輔助設備。 3 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 1 3 課題研究內容 圖1 - 1 伺服系統(tǒng)示意圖 f i g 1 1t h es c h e m a t i co fs e r v o s y s t e m 本文在查閱了大量關于運動控制文獻的基礎上對直線加速器治療床的運動控 制系統(tǒng)的開發(fā)進行了深入的研究，并成功開發(fā)出一整套運動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要 分為遠程操作單元和治療床運動控制器，實現(xiàn)能遠程對治療床的縱向與垂直兩個方 向的運動速度進行精確控制，總體來說，本論文的研究主要有以下內容： ( 1 ) 根據(jù)公司對該系統(tǒng)的要求完成系統(tǒng)的總體設計。本文詳細分析了直線加 速器治療床運動控制系統(tǒng)的總體設計，主要是在遠程控制、運動控制、功率驅動和 狀態(tài)量的顯示等方面滿足要求。 ( 2 ) 運動控制系統(tǒng)的整體設計。該系統(tǒng)主要使用p c 機通過串口和治療床的 運動控制器進行通信，在p c 機上使用v i s u a lc + + 6 0 開發(fā)出控制臺軟件，控制臺向 治療床的運動控制器發(fā)送控制信號，并且接收控制器發(fā)送的治療床相關的物理量， 實時顯示在控制臺界面上。 ( 3 )運動控制器的硬件電路設計。運動控制器硬件部分包括了控制和驅動兩 個部分?？刂撇糠质褂胊 v r 系列的a t m e g a l 2 8 型單片機作為控制核心，采用4 8 5 串口通信，光耦隔離電路，電壓信號采集電路以及一些外圍的輔助電路。驅動部分 則分為縱向的驅動和垂直方向的驅動，縱向由于驅動功率較小，所以使用了 l m d l 8 2 0 0 驅動芯片驅動，而垂直方向所需的驅動功率較大，因而制作了基于 f g a 2 5 n 1 2 0 型i g b t 管和i r 2 1 1 2 驅動芯片的h 橋驅動芯片，經(jīng)過試驗測試，驅動 功率均滿足正常應用。 4 第一辛緒論 ( 4 ) 治療床運動控制器的控制算法與控制方案的設計。系統(tǒng)使用了a v r 單片 機，在控制的時候均采用p w m ( 脈寬調制) 方式對直流電機進行調速，采用閉環(huán) p i d 算法，使得控制系統(tǒng)具有良好的控制性能1 。在進行位置和速度采樣時，采用算 術平均法來處理采集到電壓信號，以便取得較為精確的數(shù)據(jù)。 ( 5 ) 根據(jù)實際的控制方案制作軟件流程圖，編寫并調試a v r 單片機程序。 a v r 單片機程序采用i c c 語言進行編寫，并且使用模塊化設計，將每個功能編寫成 一個模塊，方便使用的時候調用。主要的功能模塊有：主程序、串口通信、p w m 波調速、位置與轉速電壓信號檢測、運動控制模塊等。 1 4 論文的結構 本文共由六章構成，各章的內容具體如下： 第一章主要介紹直線加速器以及直流電動機控制的發(fā)展狀況，以及課題的來源 與意義，簡要介紹了生產(chǎn)公司對該系統(tǒng)的要求以及本文的主要研究內容。 第二章分析了治療床上使用的直流電機特性，并介紹了系統(tǒng)的控制方案的總體 設計，包括控制芯片的選擇和所使用的控制方法，主要是使用了p w m ( 脈寬調制) 調速方式，運動控制使用p i d 算法，以及驅動床垂直升降的大功率驅動。 第三章根據(jù)所提出的系統(tǒng)要求以及控制驅動方案，選用相應的電子元器件制作 運動控制板和大功率驅動器。 第四章主要介紹了控制系統(tǒng)的遠程操作軟件和單片機控制程序兩部分，包括軟 件所要實現(xiàn)的功能。軟件的開發(fā)和結構，以及軟件的使用方法。 第五章介紹了系統(tǒng)在完成設計與開發(fā)后，在直線加速器治療床上進行調速應 用，對系統(tǒng)的性能進行測試。 第六章分析系統(tǒng)在實際應用中出現(xiàn)的問題，提出改進方法，總結以前的工作中 做得不足的地方，對未來工作進行展望 1 5 本章小結 本章介紹了我國在直線加速器方面的研發(fā)、運動控制的發(fā)展以及本設計的來 源，對該系統(tǒng)的需求進行了簡要分析。進而提出直線加速器治療床的運動控制系統(tǒng) 5 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 的設計，以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)和實驗的需求。 6 第二章直線加速器治療床控制系統(tǒng)總體設計 第二章直線加速器治療床控制系統(tǒng)總體設計 本文以0 m a x 型醫(yī)用電子直線加速器的治療床為研究對象，設計開發(fā)出一套 治療床運動控制系統(tǒng)，0 m a x 型醫(yī)用電子直線加速器如圖2 1 所示。醫(yī)用直線加速 器治療床的基本結構如下：縱向運動由直流電機通過齒輪齒條傳動驅動，總行程為 2 1 0 0 m m ；垂直運動由直流電機通過減速器和滾珠絲桿傳動驅動，總運動行程為床 面距地6 5 0 m m - 1 2 0 0 m m ；兩個運動方向位置檢測均使用線性電位器；床體在上、下、 左、右的極限位置均設置了機械限位和限位開關，以免床體運動超過極限，同時也 保護了直流電機。 圖2 10 m a x 型醫(yī)用電子直線加速器 f i g 2 - 1t h e0 - m a xm e d i c a le l e c t r o n i cl i n e a ra c c e l e r a t o r 本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對治療床運動的精確控制、檢測治療床的電機轉動速度和床體 位置，保證接受治療的患者能方便的上下治療床，同時實現(xiàn)和遠程控制的p c 機進 行通信。本控制系統(tǒng)包括了遠程操作模塊、控制模塊、執(zhí)行機構和驅動模塊，系統(tǒng) 整體結構如圖2 2 所示。 7 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 圖2 - 2 系統(tǒng)整體結構示意圖 f i g 2 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f t h es y s t e m 2 1 遠程操作設計方案 醫(yī)用直線加速器在工作時會產(chǎn)生非常強的輻射，對于治療床的操作者來說，需 要在不受到輻射的位置通過控制臺來操作治療床運動。因此本系統(tǒng)需要一個遠程操 作模塊，該模塊由上位機組成。在上位機上編寫相應的操作程序，通過4 8 5 串口通 信協(xié)議與運動控制器上的單片機控制核心進行通信，發(fā)送相應的控制指令，從而可 以使運動控制器按操作者要求完成相應的動作，操作者則通過操作程序的人機交互 界面可以很方便的進行操作。同時從治療床反饋回來的數(shù)據(jù)顯示在界面上，方便操 作者觀察。 2 1 1 操作程序的開發(fā)工具 選擇軟件系統(tǒng)開發(fā)工具的決定性因素主要有兩點：系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和方便 開發(fā)人員進行開發(fā)。軟件要實現(xiàn)的功能是一切軟件開發(fā)的出發(fā)點和歸宿點，是影響 開發(fā)工具選用的決定性因素；開發(fā)人員的習慣、經(jīng)驗和愛好也影響著開發(fā)工具的選 擇，熟悉的開發(fā)工具使用起來往往有更高的效率。遠程操作程序要求能在 w i n d o w s x p 操作平臺上運行，提供人性化的人機交互界面，供用戶使用，然后通過 8 第二章直線加速器治療床控制系統(tǒng)總體設計 p c 機上的串口向控制器的控制核心發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)，由于開發(fā)的軟件所實現(xiàn)的 功能并不復雜，而且在開發(fā)一般串口通信的軟件時需要用到v i s u a lc + + 6 0 中的 m s c o f n n 控件，所以本研究使用了v i s u a lc + + 6 0 作為程序開發(fā)工具。 v i s u a lc + + 6 0 由m i c r o s o f t 開發(fā)，它不僅是一個c + + 編譯器，而且是一個基于 w i n d o w s 操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， i d e ) 。v i s u a lc + + 6 0 由許多組件組成，包括編輯器、調試器以及程序向導a p p w i z a r d 、 類向導c l a s sw i z a r d 等開發(fā)工具。這些組件通過一個名為d e v e l o p e rs t u d i o 的組件 集成為和諧的開發(fā)環(huán)境。m i c r o s o f t 的主力軟件產(chǎn)品。v i s u a lc + + 是一個功能強大的 可視化軟件開發(fā)工具。自1 9 9 3 年m i c r o s o f t 公司推出v i s u a lc + + 1 0 后，隨著其新版 本的不斷問世，v i s u a lc + + 已成為專業(yè)程序員進行軟件開發(fā)的首選工具。雖然微軟 公司推出了v i s u a lc + + n e t ( v i s u a lc 抖7 o ) ，但它的應用的很大的局限性，只適用 于w i n d o w s2 0 0 0 ，w i n d o w sx p 和w i n d o w sn t 4 0 。所以實際中，更多的是以v i s u a l c + + 6 0 為平臺。 v i s u a lc + + 6 0 以擁有“語法高亮”，自動編譯功能以及高級除錯功能而著稱。比 如，它允許用戶進行遠程調試，單步執(zhí)行等。還有允許用戶在調試期間重新編譯被 修改的代碼，而不必重新啟動正在調試的程序。其編譯及創(chuàng)建預編譯頭文件 ( s t d a f x h ) 、最小重建功能及累加連結( 1 i n k ) 著稱。這些特征明顯縮短程序編輯、編譯 及連結的時間花費，在大型軟件計劃上尤其顯著。 m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l ( 以下簡稱m s c o m m ) 是m i c r o s o f t 公司提供 的簡化w i n d o w s 下串行通信編程的a c t i v e x 控件，它為應用程序提供了通過串行接 口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。m s c o m m 控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應用程 序提供串行通訊功能。m s c o m m 控件在串口編程時非常方便，程序員不必去花時間 去了解較為復雜的a p i 函數(shù)，而且在v c 、v b 、d e l p h i 等語言中均可使用。在v i s u a l c + + 6 0 以后的版本中，m s c o m m 控件已經(jīng)被取消，添加起來的步驟會非常繁瑣， 所以本程序選用了v i s u a lc + + 6 0 這個版本作為開發(fā)平臺。 2 1 2 串口通信 計算機與外設進行數(shù)據(jù)傳輸和通信的方式可以分為并行口通信和串行口通信 兩種方式。并行口通信是指8 位數(shù)據(jù)同時通過并行線進行傳輸，這樣數(shù)據(jù)傳輸方式 9 廣東工- ：l k 大學碩士學位論文 的傳輸速度能得到極大的提高，但實際上并行傳輸在傳輸時數(shù)據(jù)間干擾會非常大， 比較容易出錯，所以實際上其傳輸距離受到了限制。串行口通信也是計算機進行數(shù) 據(jù)傳輸?shù)囊环N方式，與并行口不同之處在于，它的數(shù)據(jù)和控制信息是一位接一位串 行地傳送下去的，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。這樣，雖然速度會慢一 些，但這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠距離通信中可以節(jié)省成本，并且由于數(shù) 據(jù)間的干擾會減少，所以傳送距離較并行口傳輸更長，因此長距離的通信應使用串 行口。一般來說，計算機都有一個或多個串行端口，他們依次為c o m l 、c o m 2 、c o m 3 等，這些串口提供了外部設備與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸和通信的通道，。 串行口通信標準經(jīng)過長時間的發(fā)展，目前已經(jīng)有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 與r s 4 8 5 等 幾種不同的標準。r s 2 3 2 、r s 4 2 2 與r s 4 8 5 都是串行數(shù)據(jù)接口標準，最初是由電 子工業(yè)協(xié)會( e i a ) 制訂并發(fā)布的。 r s 2 3 2 c - 也稱標準串口，是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1 9 7 0 年由美國電子工業(yè)協(xié)會( e i a ) 聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調制解調器廠家及計算機終端生產(chǎn) 廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設備( d t e ) 和數(shù)據(jù) 通訊設備( d c e ) 之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術標準”。傳統(tǒng)的r s 2 3 2 c 接 口標準有2 2 根線，采用標準2 5 芯d 型插頭座。后來的p c 上使用簡化了的9 芯d 型插座。現(xiàn)在應用中2 5 芯插頭座已很少采用?，F(xiàn)在的臺式電腦一般有兩個串行口： c o m l 和c o m 2 ，從設備管理器的端口列表中就可以看到。硬件表現(xiàn)為計算機后面 的9 針d 形接口，由于其形狀和針腳數(shù)量的原因，其接頭又被稱為d b 9 接頭。現(xiàn) 在有很多手機數(shù)據(jù)線或者物流接收器都采用c o m 口與計算機相連，很多投影機， 液晶電視等設備都具有了此接口，廠家也常常會提供控制協(xié)議，便于在控制方面實 現(xiàn)編程受控，現(xiàn)在越來越多的智能會議室和家居建設都采用了中央控制設備對多種 受控設備的串口控制方式。 r s 4 2 2 ：為改進r s 2 3 2 通信距離短、速率低的缺點，r s 4 2 2 定義了一種平衡 通信接口，將傳輸速率提高到1 0 m b s ，傳輸距離延長到4 0 0 0 英尺( 速率低于l0 0 k b s 時) ，并允許在一條平衡總線上連接最多1 0 個接收器。r s - 4 2 2 是一種單機發(fā)送、多 機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為t i 觚i a 4 2 2 a 標準。r s - 4 8 5 ：為擴展應 用范圍，e i a 又于1 9 8 3 年在r s - 4 2 2 基礎上制定了r s 4 8 5 標準，增加了多點、雙 向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能 力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為t i a e i a - 4 8 5 a 標準。 1 0 第二辛直線