基于CAN總線的模擬定位機控制

王 權周 璞

基于CAN總線的模擬定位機控制

王 權①周 璞②

通過介紹一種基于CAN總線的模擬定位機控制系統(tǒng)的設計方法，詳細分析了該控制模式的優(yōu)點、硬件配置及通信方式的工作機理，證實該系統(tǒng)結(jié)構簡單、運行可靠，具有一定的推廣意義。

模擬定位機；CAN總線；ARM

1 引言

模擬定位機是使用診斷X射線設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)的設備[1]。

模擬定位機整機性能在逐步提高，但隨著控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式在電氣生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場的安裝、維修等各環(huán)節(jié)中，出現(xiàn)了一些問題。比如，整機布線復雜、控制不夠靈活，可擴展性差等。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時控制的串行通信網(wǎng)絡，它在智能設備、自動化系統(tǒng)間提供了一個全數(shù)字化、雙向的、多節(jié)點的通訊鏈接[2]，其應用范圍遍及高速網(wǎng)絡到低成本的多線網(wǎng)絡。它的應用越來越廣泛，不僅應用于最初的汽車工業(yè)，而且可應用于過程工業(yè)、紡織工業(yè)等領域。它是一個全集成的、結(jié)構完整、功能完善的過程控制系統(tǒng)。在模擬定位機控制中，其由一中央控制計算機和多個分布于現(xiàn)場的CAN智能控制模塊組成，采用CAN現(xiàn)場總線進行聯(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、分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等特點的CAN總線，方便了現(xiàn)場安裝。

2 模擬定位機控制工藝流程[4]

圖1 模擬定位機布置圖

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

針對模擬定位機的控制，要求其可通過計算機、控制臺、手控器及床旁控制器對設備進行手動控制。同時要求計算機具有自動設置功能，即通過計算機自動控制機器到一定的位置，譬如機架自動轉(zhuǎn)到90°。18個電機需要實現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動作、電機的限位保護、相應的動作軸的位置采樣。在系統(tǒng)中還要有測距燈、激光燈、野燈的開關控制和安全聯(lián)鎖保護電路。

3 模擬定位機控制方式的對比

90年代的模擬定位機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，開始采用計算機集中式控制，在這種方式下，控制系統(tǒng)的核心為一臺工業(yè)計算機，系統(tǒng)所有的信息都是通過它進行采集、分析、處理的。此系統(tǒng)大大提高了設備檔次，可以實現(xiàn)模擬定位機的控制要求，但此系統(tǒng)也有一個弊端，因為模擬定位機的各個子系統(tǒng)都與此計算機有著密切的關系，如果此計算機出現(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計方法。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)通信技術為基礎的計算機控制系統(tǒng)，吸取了儀表控制和計算機直接控制的優(yōu)點并克服了它們的缺點，實現(xiàn)了集中的管理和邏輯控制的分散。

對于模擬定位機中的每個相對獨立的小的子系統(tǒng)，由一個小規(guī)模的計算機（ARM單片機）來進行控制，他們各自完成其相應的數(shù)據(jù)采集與邏輯控制。同時，存在一中央控制計算機，其主要任務是分析各子系統(tǒng)計算機采集的數(shù)據(jù)，進而根據(jù)工藝流程的需要，發(fā)送給各子系統(tǒng)計算機控制命令。此中央控制計算機還可以擁有數(shù)據(jù)庫功能，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行記錄或提供病人檔案管理功能。中央控制計算機與各子系統(tǒng)計算機采用CAN總線模式來完成現(xiàn)場的數(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，簡化了現(xiàn)場的布線。

4 CAN總線硬件配置

本系統(tǒng)采用CAN總線網(wǎng)絡，是由監(jiān)控計算機(上位機)、多個CAN控制器(下位機)和CAN總線三部分構成，圖2為整機控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構：

圖2 控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構圖

根據(jù)模擬定位機的各部分的功能，將其劃分為以下子系統(tǒng)：治療床、準直器、影像增強系統(tǒng)、控制臺、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)和中央控制計算機間可通過CAN網(wǎng)絡來相互通訊，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制命令的發(fā)送。

4.1 上位機

本系統(tǒng)采用工控機作上位機，通過CAN接口卡使工控機與CAN總線相連，這樣工控機與CAN現(xiàn)場總線就連接成能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。同時上位機監(jiān)控軟件可實現(xiàn)動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡通信、數(shù)字圖像采集、處理、凍結(jié)存檔等功能，并提供一個友好的用戶界面。

4.2 下位機（現(xiàn)場控制級）

下位機，我們采用多個ARM單片機組建CAN總線網(wǎng)絡[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ARM下位機終端可單獨采集處理現(xiàn)場的數(shù)字量（譬如增強器防碰撞信號、準直器防碰撞信號、各電機限位信號、電機運動控制信號）、模擬量（譬如準直器角度、光闌位置信息、井線位置信息）等信號，同時，也可以通過CAN網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)到計算機和接受計算機發(fā)送的控制指令，從真正意義上實現(xiàn)了網(wǎng)絡化的控制。

在軟件編程方面，下位機基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器編程手冊中，給出了詳細的說明，同時，CAN控制接口卡給出了詳細的說明及例程，這樣，通過定義上下位機通信控制協(xié)議，即可完成系統(tǒng)軟件的編制。達到CAN網(wǎng)絡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節(jié)。

治療床的信號分為：

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

開關量輸入：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獨立的智能設備，通過本身配備的床控器即可完成自身的各個運動控制，不再需要向遠端中央控制計算機請示去執(zhí)行什么動作，這樣當遠端中央控制計算機出現(xiàn)問題時，不會影響到治療床的任何動作，在使用過程中更安全。由于在安裝設備時，治療床不需等中央控制計算機安裝完畢后，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)絡上，這樣當整機工作時，中央控制計算機通過CAN網(wǎng)絡可采集治療床橫向、縱向、升降、公轉(zhuǎn)各個位置的信號，同時，通過CAN網(wǎng)絡，中央控制計算機還可以對治療床進行遠端控制。

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

同理，我們可以把其它子系統(tǒng)，如準直器、影像增強器系統(tǒng)、控制臺、手控器、機架等子系統(tǒng)加入CAN網(wǎng)絡中。這樣，通過通訊即可完成對各個子系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集。

5 結(jié)束語

基于CAN現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)為一種先進的控制技術，其提高了整機的可靠性，減少了現(xiàn)場的布線，簡化了安裝步驟，且系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構，易于實現(xiàn)擴展，為模擬定位機的控制提供了一種良好的解決方案，同時，此控制技術可移植到其它放療設備，這將提高放射治療自動化和智能化的水平[5]。

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

[2]潘新民, 王燕芳. 微型計算機控制技術[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)應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.10:328-329.

[4]潘銘喬，齊曉，黃榮建. 醫(yī)療器械標準匯編[M].北京：中國標準出版社，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,男,(1978- ),本科學歷，工程師。山東新華醫(yī)療器械股份有限公司技術部，從事放射治療設備的研發(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部 山東 淄博 255086

②淄博職業(yè)學院電子電氣工程學院 山東 淄博 255086