王 權(quán)周 璞

基于CAN總線的模擬定位機(jī)控制

王 權(quán)①周 璞②

通過介紹一種基于CAN總線的模擬定位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了該控制模式的優(yōu)點(diǎn)、硬件配置及通信方式的工作機(jī)理，證實(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，具有一定的推廣意義。

模擬定位機(jī)；CAN總線；ARM

1 引言

模擬定位機(jī)是使用診斷X射線設(shè)備模擬放射治療輻射束的幾何條件，定位放射治療過程中被照射的病灶部位，從而劃定治療輻射野的位置、尺寸等參數(shù)的設(shè)備[1]。

模擬定位機(jī)整機(jī)性能在逐步提高，但隨著控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式在電氣生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場(chǎng)的安裝、維修等各環(huán)節(jié)中，出現(xiàn)了一些問題。比如，整機(jī)布線復(fù)雜、控制不夠靈活，可擴(kuò)展性差等。為解決傳統(tǒng)控制方式存在的一些問題，引入了CAN總線控制方式。

CAN總線（Controller Area Network）是一種有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它在智能設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)間提供了一個(gè)全數(shù)字化、雙向的、多節(jié)點(diǎn)的通訊鏈接[2]，其應(yīng)用范圍遍及高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線網(wǎng)絡(luò)。它的應(yīng)用越來越廣泛，不僅應(yīng)用于最初的汽車工業(yè)，而且可應(yīng)用于過程工業(yè)、紡織工業(yè)等領(lǐng)域。它是一個(gè)全集成的、結(jié)構(gòu)完整、功能完善的過程控制系統(tǒng)。在模擬定位機(jī)控制中，其由一中央控制計(jì)算機(jī)和多個(gè)分布于現(xiàn)場(chǎng)的CAN智能控制模塊組成，采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。由于控制的分散，從而提高了系統(tǒng)工作的可靠性。引入了具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)的CAN總線，方便了現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2 模擬定位機(jī)控制工藝流程[4]

圖1 模擬定位機(jī)布置圖

如圖1所示，模擬定位機(jī)分控制室和模擬室兩部分，其中控制室由工控機(jī)、控制臺(tái)等組成；模擬室由主機(jī)（準(zhǔn)直器、X線球管、影像增強(qiáng)器）、治療床、高壓發(fā)生器、手控器等組成。

針對(duì)模擬定位機(jī)的控制，要求其可通過計(jì)算機(jī)、控制臺(tái)、手控器及床旁控制器對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。同時(shí)要求計(jì)算機(jī)具有自動(dòng)設(shè)置功能，即通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制機(jī)器到一定的位置，譬如機(jī)架自動(dòng)轉(zhuǎn)到90°。18個(gè)電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動(dòng)作、電機(jī)的限位保護(hù)、相應(yīng)的動(dòng)作軸的位置采樣。在系統(tǒng)中還要有測(cè)距燈、激光燈、野燈的開關(guān)控制和安全聯(lián)鎖保護(hù)電路。

3 模擬定位機(jī)控制方式的對(duì)比

90年代的模擬定位機(jī)大多采用繼電控制系統(tǒng)，其線路龐大、工藝落后，多采用手工布線方式進(jìn)行控制線的制作。到2000年以后，隨著工藝的發(fā)展，開始采用計(jì)算機(jī)集中式控制，在這種方式下，控制系統(tǒng)的核心為一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)所有的信息都是通過它進(jìn)行采集、分析、處理的。此系統(tǒng)大大提高了設(shè)備檔次，可以實(shí)現(xiàn)模擬定位機(jī)的控制要求，但此系統(tǒng)也有一個(gè)弊端，因?yàn)槟M定位機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)都與此計(jì)算機(jī)有著密切的關(guān)系，如果此計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題，所有的子系統(tǒng)均處于癱瘓狀態(tài)。

鑒于以上的問題，我們提出了基于CAN總線的分布式控制的設(shè)計(jì)方法。所謂基于CAN總線的分布式控制是指以多處理器及數(shù)據(jù)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，吸取了儀表控制和計(jì)算機(jī)直接控制的優(yōu)點(diǎn)并克服了它們的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了集中的管理和邏輯控制的分散。

對(duì)于模擬定位機(jī)中的每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小的子系統(tǒng)，由一個(gè)小規(guī)模的計(jì)算機(jī)（ARM單片機(jī)）來進(jìn)行控制，他們各自完成其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與邏輯控制。同時(shí)，存在一中央控制計(jì)算機(jī)，其主要任務(wù)是分析各子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)工藝流程的需要，發(fā)送給各子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制命令。此中央控制計(jì)算機(jī)還可以擁有數(shù)據(jù)庫(kù)功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄或提供病人檔案管理功能。中央控制計(jì)算機(jī)與各子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用CAN總線模式來完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。此方式由于控制的分散，從而提高了系統(tǒng)工作的可靠性，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)的布線。

4 CAN總線硬件配置

本系統(tǒng)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)，是由監(jiān)控計(jì)算機(jī)(上位機(jī))、多個(gè)CAN控制器(下位機(jī))和CAN總線三部分構(gòu)成，圖2為整機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

圖2 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)模擬定位機(jī)的各部分的功能，將其劃分為以下子系統(tǒng)：治療床、準(zhǔn)直器、影像增強(qiáng)系統(tǒng)、控制臺(tái)、手控盒。各子系統(tǒng)分別由帶有CAN總線控制功能的ARM單片機(jī)來控制，各子系統(tǒng)控制器間或者各子系統(tǒng)和中央控制計(jì)算機(jī)間可通過CAN網(wǎng)絡(luò)來相互通訊，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制命令的發(fā)送。

4.1 上位機(jī)

本系統(tǒng)采用工控機(jī)作上位機(jī)，通過CAN接口卡使工控機(jī)與CAN總線相連，這樣工控機(jī)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線就連接成能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)上位機(jī)監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字圖像采集、處理、凍結(jié)存檔等功能，并提供一個(gè)友好的用戶界面。

4.2 下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)）

下位機(jī)，我們采用多個(gè)ARM單片機(jī)組建CAN總線網(wǎng)絡(luò)[3]。

基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器越來越多，其豐富的管腳資源、內(nèi)部即可集成CAN2.0B控制器等功能，受到開發(fā)人員的親睞。

每一個(gè)ARM下位機(jī)終端可單獨(dú)采集處理現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字量（譬如增強(qiáng)器防碰撞信號(hào)、準(zhǔn)直器防碰撞信號(hào)、各電機(jī)限位信號(hào)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)）、模擬量（譬如準(zhǔn)直器角度、光闌位置信息、井線位置信息）等信號(hào)，同時(shí)，也可以通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)和接受計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的控制。

在軟件編程方面，下位機(jī)基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器編程手冊(cè)中，給出了詳細(xì)的說明，同時(shí)，CAN控制接口卡給出了詳細(xì)的說明及例程，這樣，通過定義上下位機(jī)通信控制協(xié)議，即可完成系統(tǒng)軟件的編制。達(dá)到CAN網(wǎng)絡(luò)方便快捷的控制要求。

4.3 示例說明

以治療床為例，說明該控制方式的細(xì)節(jié)。

治療床的信號(hào)分為：

開關(guān)量輸出：橫向電動(dòng)、縱向電動(dòng)、升降電動(dòng)、公轉(zhuǎn)電動(dòng)、橫向手動(dòng)、縱向手動(dòng)、公轉(zhuǎn)手動(dòng)、測(cè)距燈控制、野燈控制、室燈控制、激光燈控制。

開關(guān)量輸入：橫向左右限位、縱向前后限位、升降上下限位，公轉(zhuǎn)順逆限位。

模擬量輸入：橫向位置、縱向位置、升降位置，公轉(zhuǎn)位置。

模擬量輸出：橫向速度、縱向速度、升降速度，公轉(zhuǎn)速度。

治療床可以視為一個(gè)獨(dú)立的智能設(shè)備，通過本身配備的床控器即可完成自身的各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制，不再需要向遠(yuǎn)端中央控制計(jì)算機(jī)請(qǐng)示去執(zhí)行什么動(dòng)作，這樣當(dāng)遠(yuǎn)端中央控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)，不會(huì)影響到治療床的任何動(dòng)作，在使用過程中更安全。由于在安裝設(shè)備時(shí)，治療床不需等中央控制計(jì)算機(jī)安裝完畢后，即可開展工作，從而加快了安裝速度，提高了安裝的靈活性。

治療床控制核心板ARM板可連接到CAN網(wǎng)絡(luò)上，這樣當(dāng)整機(jī)工作時(shí)，中央控制計(jì)算機(jī)通過CAN網(wǎng)絡(luò)可采集治療床橫向、縱向、升降、公轉(zhuǎn)各個(gè)位置的信號(hào)，同時(shí)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)，中央控制計(jì)算機(jī)還可以對(duì)治療床進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。

采用此方式可大大減少現(xiàn)場(chǎng)的電纜數(shù)量。CAN網(wǎng)絡(luò)只需要兩根屏蔽的雙絞線即可完成通訊任務(wù)，其采用差動(dòng)傳輸模式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

同理，我們可以把其它子系統(tǒng)，如準(zhǔn)直器、影像增強(qiáng)器系統(tǒng)、控制臺(tái)、手控器、機(jī)架等子系統(tǒng)加入CAN網(wǎng)絡(luò)中。這樣，通過通訊即可完成對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集。

5 結(jié)束語

基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)為一種先進(jìn)的控制技術(shù)，其提高了整機(jī)的可靠性，減少了現(xiàn)場(chǎng)的布線，簡(jiǎn)化了安裝步驟，且系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，為模擬定位機(jī)的控制提供了一種良好的解決方案，同時(shí)，此控制技術(shù)可移植到其它放療設(shè)備，這將提高放射治療自動(dòng)化和智能化的水平[5]。

[1]喬田奎，祝淑釵，李寶生，等. 放射治療學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2004.5:40-41.

[2]潘新民, 王燕芳. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.7:186-188.

[3]李寧. 基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.10:328-329.

[4]潘銘喬，齊曉，黃榮建. 醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.3:193.

[5]顧本廣，林郁正，賴啟基，等. 醫(yī)用加速器[M].北京：科學(xué)出版社，2003.10:518.

Control mode of radiotherapy simulator based on CAN BUS network

WANG Quan, ZHOU Pu // China Medical Equipment,2011,8(2):13-15.

This article mainly introduces a CAN BUS network control mode used in radiotherapy simulator, analyzes the virtue of this control mode and the hardware components of it. This control mode has easy structure and runs well and it can also be used by other equipments.

Radiotherapy Simulator ; CAN BUS; ARM

1672-8270(2011)02-0013-03

TH 774

A

2010-11-05

王權(quán),男,(1978- ),本科學(xué)歷，工程師。山東新華醫(yī)療器械股份有限公司技術(shù)部，從事放射治療設(shè)備的研發(fā)工作。

[First-author's address]Department of Radiotherapy Technology, Shandong Xinhua Medical Device Co., Ltd, Zibo 255086, China.

①山東新華醫(yī)療器械股份有限公司放療技術(shù)部 山東 淄博 255086

②淄博職業(yè)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 山東 淄博 255086