（機(jī)械工程專業(yè)論文）直線加速器治療床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)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(duì) 象，研究了加速器治療床的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。論文具體分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，闡述 了系統(tǒng)的功能，介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 本操作系統(tǒng)系統(tǒng)的控制對(duì)象是直線加速器治療床，實(shí)現(xiàn)治療床縱向和垂直方向 運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制及檢測(cè)功能，這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)均采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。治療床同 時(shí)具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作和上位機(jī)遠(yuǎn)程操作。本控制系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和 上位機(jī)三部分構(gòu)成。本系統(tǒng)選用a v r 系列單片機(jī)作為控制核心，采用p w m 方式控 制直流伺服電機(jī)。在閉環(huán)速度控制中選用p i d 控制算法進(jìn)行閉環(huán)控制，使控制系統(tǒng) 具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。檢測(cè)功能使用a d 轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓值進(jìn)行采集，從而檢 測(cè)治療床的電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置。 為了降低功率模塊電壓對(duì)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(yùn)動(dòng)控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。主 控制板是系統(tǒng)的核心部分，包括以單片機(jī)為主控元件的控制核心，電壓信號(hào)檢測(cè)電 路，電源電路，串口通信電路和一些外圍輔助電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是系統(tǒng)直接連接兩 臺(tái)被控電機(jī)的執(zhí)行部分，主要包括小功率驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路以及大功率h 橋 驅(qū)動(dòng)電路。 本系統(tǒng)的軟件由兩個(gè)部分組成，即上位機(jī)遠(yuǎn)程操作程序和a v r 單片機(jī)控制程 序。上位機(jī)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的部分，操作人員通過(guò)上位機(jī)上的操作軟件可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)治療床進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并且實(shí)時(shí)監(jiān)視治療床的狀態(tài)。a v r 單片機(jī)控制程序采用c 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，使用i c c a v r 編譯器進(jìn)行編譯。設(shè)計(jì)方式是采用模塊化設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)控制模塊等。 關(guān)鍵詞：a v r 單片機(jī)：p w m 控制；p i d 算法；h 橋驅(qū)動(dòng)電路 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)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(xué)碩士學(xué)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(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使用放射技術(shù)對(duì)惡性腫瘤進(jìn)行治療已經(jīng)在各大的醫(yī) 院中廣泛應(yīng)用。放射治療技術(shù)的發(fā)展與加速器技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在過(guò)去的一個(gè) 世紀(jì)中，不斷有新的技術(shù)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(shè)備。當(dāng)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(tái)數(shù)最多的一種，也是各種放射治療裝置中臺(tái)數(shù)最多的 一種。 據(jù)“九五期間全國(guó)醫(yī)療照射水平調(diào)查研究”的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年急需接受放 射治療的患者為1 4 0 萬(wàn)人，而實(shí)際上真正接受放射治療的患者僅有約5 0 萬(wàn)人，由于 放射治療設(shè)備的缺乏，大部分患者得不到應(yīng)有的治療機(jī)會(huì)。國(guó)際上把每百萬(wàn)人口擁 有醫(yī)用加速器臺(tái)數(shù)作為表征一個(gè)國(guó)家的衛(wèi)生事業(yè)水平重要指標(biāo)，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家這 個(gè)指標(biāo)達(dá)到1 0 臺(tái)以上，我國(guó)醫(yī)用加速器數(shù)量增加很快，總數(shù)雖然已超過(guò)6 0 0 余臺(tái)， 但每百萬(wàn)人口擁有量?jī)H約為o 4 5 臺(tái)，遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的腫瘤 發(fā)病率已經(jīng)進(jìn)入高發(fā)期，國(guó)內(nèi)需求缺口巨大，但由于設(shè)備價(jià)格原因嚴(yán)重制約了醫(yī)療 機(jī)構(gòu)對(duì)病患進(jìn)行正確診治能力的發(fā)揮。在此背景下，國(guó)內(nèi)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(dāng)中。作為其中的國(guó)內(nèi)少數(shù)掌握電子加速器關(guān)鍵技術(shù)和擁有 多項(xiàng)相關(guān)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(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)的研究對(duì)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(jìn)行腫瘤治療時(shí)支撐病員，方便醫(yī)生將病員的病灶 置于輻射野內(nèi)進(jìn)行治療，因此其運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)致力于開(kāi)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(yùn) 動(dòng)精度。 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 課題的提出作為國(guó)內(nèi)具有多年電子直線加速器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(guó)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(guó)著名生產(chǎn)廠商瓦里安相關(guān)技術(shù)前提下，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的一 套產(chǎn)品。在國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中，由于沒(méi)有現(xiàn)成配套的運(yùn)動(dòng)控制和檢測(cè)系統(tǒng)，所以公司 需要自主研發(fā)一整套的運(yùn)動(dòng)控制和檢測(cè)系統(tǒng)，治療床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)屬于其中的一個(gè) 子模塊，該模塊的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)整套直線加速器的實(shí)際使用具有非常大的影響。 研發(fā)出一套運(yùn)行可靠的直線加速器治療床的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)治療床的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn) 具有非常大的意義。 2 課題來(lái)源針對(duì)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(duì)象，完成其運(yùn)動(dòng)控制部分的研究，使其能夠精確平穩(wěn)的 運(yùn)動(dòng)，在醫(yī)用臨床試驗(yàn)中驗(yàn)證其可靠性，并迸一步投入到市場(chǎng)中。 3 研究意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和腫瘤放射物理技術(shù)的飛速發(fā)展，放射治療已 成為當(dāng)今腫瘤治療的重要手段之一，而且其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)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(diào)強(qiáng)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(jì)劃設(shè)計(jì)、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(shù)的實(shí)現(xiàn)都與腫瘤精確定位密切相關(guān)，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(yùn)動(dòng)精度的高低直接影響到放射治療中對(duì)治療區(qū)域的 定位，而且如果治療床能實(shí)現(xiàn)比較平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，則會(huì)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的治療床具有非常重要的意義和非常好的市 場(chǎng)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(guó)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(jī)械結(jié)構(gòu) 具有高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，但在床體的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，由于沒(méi)有配套的運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)，而如果購(gòu)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(yùn)行可靠的治療床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)床體的生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)都具有重大意義。 2 第一章緒論 1 2 電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 電動(dòng)機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng) 域和人們的日常生活。無(wú)論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國(guó)防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi) 生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品( 如電冰箱， 空調(diào)，d v d 等) 中，都大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料顯示，在所有動(dòng)力資 源中，百分之九十以上來(lái)自電動(dòng)機(jī)。同樣，我國(guó)生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于 電動(dòng)機(jī)的。在電氣時(shí)代，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單控制應(yīng)用的比較多，主要是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制，加減速和制動(dòng)，該類控制可通過(guò)開(kāi)關(guān)元件和可編程控制器實(shí)現(xiàn)。 還有一類控制稱為復(fù)雜控制，是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓，電流，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，功 率等物理量進(jìn)行控制。 如今，大部分高精度的直流電動(dòng)機(jī)都配備了伺服系統(tǒng)，我們稱之為直流伺服電 機(jī)。伺服系統(tǒng)也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種，它用來(lái)控制被控對(duì)象的位 移( 或轉(zhuǎn)角) ，使其能夠精確和連續(xù)地自動(dòng)復(fù)現(xiàn)輸入命令的變化，它通常是具有負(fù)反 饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在應(yīng)用中，一般是以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制 系統(tǒng)，例如機(jī)械臂等n 1 。 伺服控制技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務(wù)最廣泛的一個(gè)分 支。它經(jīng)歷了發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、晶體管控制、集成電路控制、計(jì)算機(jī)控制的發(fā) 展過(guò)程，至今進(jìn)入了全新的鼎盛時(shí)期。現(xiàn)代伺服控制技術(shù)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(diào)制技術(shù)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(jì)算 機(jī)控制的方向發(fā)展。 3 伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)及自診斷技術(shù)伴隨著系統(tǒng)功能、性能復(fù)雜化程度的升 級(jí)而受到人們的普遍重視 可以簡(jiǎn)單地用圖1 1 來(lái)表示伺服系統(tǒng)的組成，包括調(diào)節(jié)器、檢測(cè)裝置、放大裝 置和執(zhí)行部件，其中檢測(cè)裝置用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)。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(zhì)，一般還有信號(hào)轉(zhuǎn)換線路和補(bǔ)償裝置，以及相應(yīng)的 能源設(shè)備、保護(hù)裝置、控制設(shè)備和其他輔助設(shè)備。 3 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 課題研究?jī)?nèi)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(guān)于運(yùn)動(dòng)控制文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)直線加速器治療床的運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了深入的研究，并成功開(kāi)發(fā)出一整套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要 分為遠(yuǎn)程操作單元和治療床運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)能遠(yuǎn)程對(duì)治療床的縱向與垂直兩個(gè)方 向的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行精確控制，總體來(lái)說(shuō)，本論文的研究主要有以下內(nèi)容： ( 1 ) 根據(jù)公司對(duì)該系統(tǒng)的要求完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)分析了直線加 速器治療床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，主要是在遠(yuǎn)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、功率驅(qū)動(dòng)和 狀態(tài)量的顯示等方面滿足要求。 ( 2 ) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要使用p c 機(jī)通過(guò)串口和治療床的 運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行通信，在p c 機(jī)上使用v i s u a lc + + 6 0 開(kāi)發(fā)出控制臺(tái)軟件，控制臺(tái)向 治療床的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送控制信號(hào)，并且接收控制器發(fā)送的治療床相關(guān)的物理量， 實(shí)時(shí)顯示在控制臺(tái)界面上。 ( 3 )運(yùn)動(dòng)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制器硬件部分包括了控制和驅(qū)動(dòng)兩 個(gè)部分。控制部分使用a v r 系列的a t m e g a l 2 8 型單片機(jī)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(hào)采集電路以及一些外圍的輔助電路。驅(qū)動(dòng)部分 則分為縱向的驅(qū)動(dòng)和垂直方向的驅(qū)動(dòng)，縱向由于驅(qū)動(dòng)功率較小，所以使用了 l m d l 8 2 0 0 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，而垂直方向所需的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片的h 橋驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，驅(qū)動(dòng) 功率均滿足正常應(yīng)用。 4 第一辛緒論 ( 4 ) 治療床運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法與控制方案的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用了a v r 單片 機(jī)，在控制的時(shí)候均采用p w m ( 脈寬調(diào)制) 方式對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)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(jìn)行位置和速度采樣時(shí)，采用算 術(shù)平均法來(lái)處理采集到電壓信號(hào)，以便取得較為精確的數(shù)據(jù)。 ( 5 ) 根據(jù)實(shí)際的控制方案制作軟件流程圖，編寫(xiě)并調(diào)試a v r 單片機(jī)程序。 a v r 單片機(jī)程序采用i c c 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，并且使用模塊化設(shè)計(jì)，將每個(gè)功能編寫(xiě)成 一個(gè)模塊，方便使用的時(shí)候調(diào)用。主要的功能模塊有：主程序、串口通信、p w m 波調(diào)速、位置與轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制模塊等。 1 4 論文的結(jié)構(gòu) 本文共由六章構(gòu)成，各章的內(nèi)容具體如下： 第一章主要介紹直線加速器以及直流電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展?fàn)顩r，以及課題的來(lái)源 與意義，簡(jiǎn)要介紹了生產(chǎn)公司對(duì)該系統(tǒng)的要求以及本文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章分析了治療床上使用的直流電機(jī)特性，并介紹了系統(tǒng)的控制方案的總體 設(shè)計(jì)，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(diào)制) 調(diào)速方式，運(yùn)動(dòng)控制使用p i d 算法，以及驅(qū)動(dòng)床垂直升降的大功率驅(qū)動(dòng)。 第三章根據(jù)所提出的系統(tǒng)要求以及控制驅(qū)動(dòng)方案，選用相應(yīng)的電子元器件制作 運(yùn)動(dòng)控制板和大功率驅(qū)動(dòng)器。 第四章主要介紹了控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作軟件和單片機(jī)控制程序兩部分，包括軟 件所要實(shí)現(xiàn)的功能。軟件的開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)，以及軟件的使用方法。 第五章介紹了系統(tǒng)在完成設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)后，在直線加速器治療床上進(jìn)行調(diào)速應(yīng) 用，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。 第六章分析系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出改進(jìn)方法，總結(jié)以前的工作中 做得不足的地方，對(duì)未來(lái)工作進(jìn)行展望 1 5 本章小結(jié) 本章介紹了我國(guó)在直線加速器方面的研發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展以及本設(shè)計(jì)的來(lái) 源，對(duì)該系統(tǒng)的需求進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。進(jìn)而提出直線加速器治療床的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 5 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 的設(shè)計(jì)，以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)的需求。 6 第二章直線加速器治療床控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 第二章直線加速器治療床控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套 治療床運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)如下：縱向運(yùn)動(dòng)由直流電機(jī)通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，總行程為 2 1 0 0 m m ；垂直運(yùn)動(dòng)由直流電機(jī)通過(guò)減速器和滾珠絲桿傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，總運(yùn)動(dòng)行程為床 面距地6 5 0 m m - 1 2 0 0 m m ；兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向位置檢測(cè)均使用線性電位器；床體在上、下、 左、右的極限位置均設(shè)置了機(jī)械限位和限位開(kāi)關(guān)，以免床體運(yùn)動(dòng)超過(guò)極限，同時(shí)也 保護(hù)了直流電機(jī)。 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?qū)崿F(xiàn)對(duì)治療床運(yùn)動(dòng)的精確控制、檢測(cè)治療床的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程控制的p c 機(jī)進(jìn) 行通信。本控制系統(tǒng)包括了遠(yuǎn)程操作模塊、控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)模塊，系統(tǒng) 整體結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示。 7 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程操作設(shè)計(jì)方案 醫(yī)用直線加速器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的輻射，對(duì)于治療床的操作者來(lái)說(shuō)，需 要在不受到輻射的位置通過(guò)控制臺(tái)來(lái)操作治療床運(yùn)動(dòng)。因此本系統(tǒng)需要一個(gè)遠(yuǎn)程操 作模塊，該模塊由上位機(jī)組成。在上位機(jī)上編寫(xiě)相應(yīng)的操作程序，通過(guò)4 8 5 串口通 信協(xié)議與運(yùn)動(dòng)控制器上的單片機(jī)控制核心進(jìn)行通信，發(fā)送相應(yīng)的控制指令，從而可 以使運(yùn)動(dòng)控制器按操作者要求完成相應(yīng)的動(dòng)作，操作者則通過(guò)操作程序的人機(jī)交互 界面可以很方便的進(jìn)行操作。同時(shí)從治療床反饋回來(lái)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(kāi)發(fā)工具 選擇軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的決定性因素主要有兩點(diǎn)：系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和方便 開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)。軟件要實(shí)現(xiàn)的功能是一切軟件開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，是影響 開(kāi)發(fā)工具選用的決定性因素；開(kāi)發(fā)人員的習(xí)慣、經(jīng)驗(yàn)和愛(ài)好也影響著開(kāi)發(fā)工具的選 擇，熟悉的開(kāi)發(fā)工具使用起來(lái)往往有更高的效率。遠(yuǎn)程操作程序要求能在 w i n d o w s x p 操作平臺(tái)上運(yùn)行，提供人性化的人機(jī)交互界面，供用戶使用，然后通過(guò) 8 第二章直線加速器治療床控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) p c 機(jī)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(kāi)發(fā)的軟件所實(shí)現(xiàn)的 功能并不復(fù)雜，而且在開(kāi)發(fā)一般串口通信的軟件時(shí)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(kāi)發(fā)工具。 v i s u a lc + + 6 0 由m i c r o s o f t 開(kāi)發(fā)，它不僅是一個(gè)c + + 編譯器，而且是一個(gè)基于 w i n d o w s 操作系統(tǒng)的可視化集成開(kāi)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(diào)試器以及程序向?qū) p p w i z a r d 、 類向?qū) l a s sw i z a r d 等開(kāi)發(fā)工具。這些組件通過(guò)一個(gè)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(kāi)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(gè)功能強(qiáng)大的 可視化軟件開(kāi)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(wèn)世，v i s u a lc + + 已成為專業(yè)程序員進(jìn)行軟件開(kāi)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(yīng)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(shí)際中，更多的是以v i s u a l c + + 6 0 為平臺(tái)。 v i s u a lc + + 6 0 以擁有“語(yǔ)法高亮”，自動(dòng)編譯功能以及高級(jí)除錯(cuò)功能而著稱。比 如，它允許用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，單步執(zhí)行等。還有允許用戶在調(diào)試期間重新編譯被 修改的代碼，而不必重新啟動(dòng)正在調(diào)試的程序。其編譯及創(chuàng)建預(yù)編譯頭文件 ( s t d a f x h ) 、最小重建功能及累加連結(jié)( 1 i n k ) 著稱。這些特征明顯縮短程序編輯、編譯 及連結(jié)的時(shí)間花費(fèi)，在大型軟件計(jì)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(jiǎn)稱m s c o m m ) 是m i c r o s o f t 公司提供 的簡(jiǎn)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(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接 口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。m s c o m m 控件通過(guò)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)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(shí)非常方便，程序員不必去花時(shí)間 去了解較為復(fù)雜的a p i 函數(shù)，而且在v c 、v b 、d e l p h i 等語(yǔ)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(lái)的步驟會(huì)非常繁瑣， 所以本程序選用了v i s u a lc + + 6 0 這個(gè)版本作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 2 1 2 串口通信 計(jì)算機(jī)與外設(shè)進(jìn)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(shí)通過(guò)并行線進(jìn)行傳輸，這樣數(shù)據(jù)傳輸方式 9 廣東工- ：l k 大學(xué)碩士學(xué)位論文 的傳輸速度能得到極大的提高，但實(shí)際上并行傳輸在傳輸時(shí)數(shù)據(jù)間干擾會(huì)非常大， 比較容易出錯(cuò)，所以實(shí)際上其傳輸距離受到了限制。串行口通信也是計(jì)算機(jī)進(jìn)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(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。這樣，雖然速度會(huì)慢一 些，但這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)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(huì)減少，所以傳送距離較并行口傳輸更長(zhǎng)，因此長(zhǎng)距離的通信應(yīng)使用串 行口。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)都有一個(gè)或多個(gè)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(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信的通道，。 串行口通信標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，最初是由電 子工業(yè)協(xié)會(huì)( e i a ) 制訂并發(fā)布的。 r s 2 3 2 c - 也稱標(biāo)準(zhǔn)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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)( e i a ) 聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn) 廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備( d t e ) 和數(shù)據(jù) 通訊設(shè)備( d c e ) 之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。傳統(tǒng)的r s 2 3 2 c 接 口標(biāo)準(zhǔn)有2 2 根線，采用標(biāo)準(zhǔn)2 5 芯d 型插頭座。后來(lái)的p c 上使用簡(jiǎn)化了的9 芯d 型插座?，F(xiàn)在應(yīng)用中2 5 芯插頭座已很少采用。現(xiàn)在的臺(tái)式電腦一般有兩個(gè)串行口： c o m l 和c o m 2 ，從設(shè)備管理器的端口列表中就可以看到。硬件表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)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?，F(xiàn) 在有很多手機(jī)數(shù)據(jù)線或者物流接收器都采用c o m 口與計(jì)算機(jī)相連，很多投影機(jī)， 液晶電視等設(shè)備都具有了此接口，廠家也常常會(huì)提供控制協(xié)議，便于在控制方面實(shí) 現(xiàn)編程受控，現(xiàn)在越來(lái)越多的智能會(huì)議室和家居建設(shè)都采用了中央控制設(shè)備對(duì)多種 受控設(shè)備的串口控制方式。 r s 4 2 2 ：為改進(jìn)r s 2 3 2 通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，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(zhǎng)到4 0 0 0 英尺( 速率低于l0 0 k b s 時(shí)) ，并允許在一條平衡總線上連接最多1 0 個(gè)接收器。r s - 4 2 2 是一種單機(jī)發(fā)送、多 機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。r s - 4 8 5 ：為擴(kuò)展應(yīng) 用范圍，e i a 又于1 9 8 3 年在r s - 4 2 2 基礎(chǔ)上制定了r s 4 8 5 標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙 向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能 力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為t i a e i a - 4 8 5 a 標(biāo)準(zhǔn)。 1 0 第二辛直線