適用于SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的EtherCAT-IO模塊開(kāi)發(fā)與研究

孟富國(guó) MENG Fu-guo

（濱松光子科技（廊坊）有限公司，廊坊 065000）

0 引言

單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層裝置簡(jiǎn)稱為SPECT。SPECT是目前臨床上應(yīng)用最廣泛的核醫(yī)學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究，其可以進(jìn)行功能成像，反應(yīng)器官動(dòng)態(tài)特征，對(duì)疾病特別是腫瘤的早期診斷有重要意義。其成像原理是利用γ探測(cè)器采集事先引入人體的放射性核素進(jìn)行跟蹤、探測(cè)、掃描并由計(jì)算機(jī)分析重建，生成放射性分布的平面、斷層及三維影像圖。

隨著SPECT快速發(fā)展，高分辨率和高效率探測(cè)是主要研究方向，目前發(fā)展形成了多探頭、多角度、短采集距離（增加輪廓掃描傳感器實(shí)現(xiàn)貼近人體掃描）等幾個(gè)技術(shù)方向。這幾個(gè)方向都離不開(kāi)安全、高精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，市場(chǎng)上常見(jiàn)的雙探頭SPECT及SPECT-CT核醫(yī)學(xué)設(shè)備，常配備有十幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸和近百個(gè)傳感器，多軸聯(lián)動(dòng)及實(shí)時(shí)掃描過(guò)程的傳感器能否實(shí)時(shí)反饋與控制對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行尤為重要。自主EtherCAT-IO模塊實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展模塊（電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與傳感器）的同步實(shí)時(shí)反饋與控制，提升了運(yùn)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。擴(kuò)展模塊的同步實(shí)時(shí)反饋，使得探測(cè)器連續(xù)貼近人體輪廓掃描探測(cè)成為可能，同時(shí)提升運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安全性。

1 SPECT運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要用于調(diào)整γ探測(cè)器姿態(tài)，使γ探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)被檢測(cè)的器官。配備人體輪廓掃描傳感器的可變角SPECT，運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)中還需要根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的人體輪廓位置，保持探頭與人體在最近的距離，因此用于SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中專用的擴(kuò)展模塊（IO模塊）尤為重要。

SPECT的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、EtherCAT-IO模塊、傳感器及其他控制部件組成。其中EtherCAT-IO模塊承擔(dān)第三方（不支持EtherCAT通訊）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、擴(kuò)展的傳感器等模塊的控制與反饋通訊工作。

1.2 EtherCAT原理及組成

EtherCAT是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。EtherCAT以太網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層采用了實(shí)時(shí)調(diào)度的軟件核，并提供了過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫?dú)立通道，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，非常適用于SPECT運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。

EtherCAT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由主站與從站構(gòu)成，目前SPECT設(shè)備上，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由一個(gè)主站和多個(gè)從站組成（電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從站、IO從站）。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)具有廣泛適用性、以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高同步性等主要特點(diǎn)，充分利用了以太網(wǎng)的全雙工特性。使用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC），主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各個(gè)從站，從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀。

在SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用程序之間通常有兩種數(shù)據(jù)交換形式，時(shí)間關(guān)鍵和非時(shí)間關(guān)鍵。非時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以非周期性發(fā)送，命名為COE。時(shí)間關(guān)鍵表示特定的動(dòng)作必須在確定時(shí)間內(nèi)完成，通常周期性發(fā)送，稱為周期性過(guò)程數(shù)據(jù)通訊，命名為PDO。EtherCAT主站與從站構(gòu)成總線式PDO實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)處理過(guò)程由主站和從站中的硬件實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)通訊中主、從站可分為自由運(yùn)行模式和同步運(yùn)行模式。自由模式下，主站與從站使用本地時(shí)鐘構(gòu)成實(shí)時(shí)通訊循環(huán)周期，與EtherCAT實(shí)時(shí)通訊部分構(gòu)成異步通訊。同步模式下，實(shí)時(shí)通訊部分發(fā)出分布式同步時(shí)鐘，主從站部分按照分布式同步時(shí)鐘觸發(fā)通訊，與EtherCAT實(shí)時(shí)通訊部分構(gòu)成同步運(yùn)行模式，進(jìn)一步提高系統(tǒng)同步性。

2 EtherCAT-IO模塊的設(shè)計(jì)

2.1 模塊簡(jiǎn)述

基于EtheCAT的IO模塊為EtherCAT從站，是一款基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)總線的數(shù)字IO模塊，它支持32路輸入與32路輸出。其外觀見(jiàn)圖1。

圖1 EtheCAT的IO模塊

2.2 模塊組成

基于EtherCAT的IO模塊開(kāi)發(fā)分為兩部：設(shè)備描述文件xml文件；IO模塊硬件與程序；

①設(shè)備描述文件xml文件，用于主站識(shí)別從站并與從站建立通訊連接，描述內(nèi)容包含從站廠商、模塊類型、通訊數(shù)據(jù)詳細(xì)信息、ESC配置信息等。

②IO模塊硬件與程序，實(shí)現(xiàn)基于EtherCAT的COE、PDO通訊和終端IO控制兩部分功能。硬件上主要由1）EtherCAT通訊部分、2）微處理單元、3）隔離驅(qū)動(dòng)、4）電源系統(tǒng)構(gòu)成。固件程序主要由MCU微處理單元中的ARM固件程序構(gòu)成，整體構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2 基于EtherCAT的IO模塊組成

3 模塊設(shè)計(jì)

xml文件為IO從站設(shè)備描述文件，負(fù)責(zé)給EtherCAT主站提供從站詳細(xì)描述信息，協(xié)助主站識(shí)別從站并與從站建立通訊連接，保證主站與從站通訊數(shù)據(jù)定義一致。xml文件描述了從站廠商、類型、版本、FMMU描述信息、通訊映射地址、通訊變量、通訊類型、ESC的EEPROM配置信息等。其中通訊數(shù)據(jù)定義按照CANopen協(xié)議中的行規(guī)CiA401定義。

①EtherCAT通訊部分由物理層器件、EtherCAT從站控制器ESC（EtherCAT Slave controller）組成。物理層器件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)硬件連接，EtherCAT從站通訊控制器芯片ESC負(fù)責(zé)處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀。

ESC使用雙端口存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)EtherCAT主站與從站本地應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換，各個(gè)從站ESC按照各自在環(huán)路上的物理位置順序移位讀寫數(shù)據(jù)幀。EtherCAT的報(bào)文經(jīng)過(guò)從站時(shí)，ESC從報(bào)文中提取發(fā)送給自己的輸出命令數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，輸入數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)又被寫到相對(duì)應(yīng)的子報(bào)文中。數(shù)據(jù)的提取與插入是由數(shù)據(jù)鏈路層的硬件實(shí)現(xiàn)?？刂破鱁SC選用了LAN芯片，該芯片物理層符合IEEE 802.3/802.3u標(biāo)準(zhǔn)，集成2個(gè)以太網(wǎng)PHY端口通訊，速度可達(dá)100Mbps，并同時(shí)支持HP Auto-MDIX功能、LAN喚醒、MII接口、EBUS接口。

②微處理單元由MCU和固件程序構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)處理EtherCAT通訊和外部傳感器采集與控制任務(wù)。

微處理單元從ESC讀取EtherCAT實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)解析，輸出到IO端口，實(shí)現(xiàn)IO的控制功能；采樣IO狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解析合并，寫入ESC中，通過(guò)EtherCAT實(shí)時(shí)通訊傳送主站，實(shí)現(xiàn)IO狀態(tài)采集反饋。

主要涉及MCU選型、電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、固件程序開(kāi)發(fā)。

MCU選型結(jié)合IO模塊需求及擴(kuò)展電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需求，IO模塊對(duì)GPIO數(shù)量需求較大，需大于85個(gè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)芯片性能要求較高。綜合考慮性價(jià)比，選用了擁有內(nèi)部硬件除法器、單周期乘法器的高性能CortexTM-M4系列的ARM實(shí)現(xiàn)，工作頻率72MHz，集成5種通訊接口SPI/I2C/CAN/USB/USART、2個(gè)12位ADC、支持外置看門狗、內(nèi)部集成校準(zhǔn)RTC、內(nèi)部C循環(huán)冗余校驗(yàn)計(jì)算單元格，還有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式等。

固件程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，涉及存儲(chǔ)同步管理通道、對(duì)象字典設(shè)計(jì)、PDO映射和分配、PDO數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理映射到PDO、獲取IO狀態(tài)、輸出IO狀態(tài)、DC開(kāi)啟及處理等部分開(kāi)發(fā)。整體由12部分組成：1.初始化參數(shù)設(shè)置；2.存儲(chǔ)同步管理通道配置；3.創(chuàng)建并初始化從站對(duì)象字典；4.設(shè)置從站回調(diào)功能；5.開(kāi)始從站對(duì)象字典；6.PDO映射和分配；7.設(shè)置時(shí)間屏蔽寄存器；8.獲取IO狀態(tài)；9.數(shù)據(jù)處理映射到上傳PDO；10.下載PDO數(shù)據(jù)解析；11.采集輸出IO狀態(tài)；12.DC開(kāi)啟及處理。

③IO隔離驅(qū)動(dòng)模塊主要有隔離、驅(qū)動(dòng)、采樣、保護(hù)電路四部分組成，配合GPIO實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的控制與檢測(cè)。

IO隔離驅(qū)動(dòng)模塊主要包含與微處理器的IO隔離功能、IO輸出功率放大功能、IO輸入信號(hào)檢測(cè)功能、IO輸出過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)、短路、IO狀態(tài)LED顯示功能、抗反向電壓沖擊、兼容感性負(fù)載（繼電器、蜂鳴器等）、寬電平范圍IO輸入口（7V~24V為高電平，0~5V為低電平）等功能。

微處理器GPIO口輸出的電平先經(jīng)過(guò)CMOS型三態(tài)緩沖門電路，提升功率驅(qū)動(dòng)光耦合隔離，實(shí)現(xiàn)輸出GPIO隔離，光耦合輸出接入功率芯片，實(shí)現(xiàn)24V/600mA的驅(qū)動(dòng)能力，用于控制終端設(shè)備；終端設(shè)備反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)限流及分壓驅(qū)動(dòng)光耦，輸入到CMOS型三態(tài)緩沖門，接入微處理器GPIO輸入口，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的監(jiān)測(cè)。此部分為硬件開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)，IO隔離驅(qū)動(dòng)部分整體框圖見(jiàn)圖3。

圖3 IO隔離驅(qū)動(dòng)部分整體框圖

電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)各個(gè)單元供電以及IO輸出設(shè)備供電，保證能源供給，并防止各個(gè)單元串?dāng)_。

電源輸入24V，輸出24V、5V、3.3V、1.2V等幾種電源，采用了DC-DC隔離電源方案，將整個(gè)模塊分成了兩個(gè)電源系統(tǒng)，分別為微處理部分、功率驅(qū)動(dòng)部分。在PCB設(shè)計(jì)中將微處理與驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)為兩塊獨(dú)立的PCB，電氣間隔1cm以上，見(jiàn)圖4 EtherCAT-IO電路板圖。

圖4 EtherCAT-IO電路板圖

4 EtherCAT-IO模塊的測(cè)試與應(yīng)用

4.1 功能與性能測(cè)試

功能與性能測(cè)試分為四部分測(cè)試，分別為硬件功能配置、輸出IO功能性能、輸入IO功能性能、EtherCAT通訊功能性能測(cè)試，詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 功能與性能測(cè)試

測(cè)試結(jié)果：EtherCAT-IO模塊硬件功能配置、輸出IO功能性能、輸入IO功能性能、EtherCAT通訊功能性能均符合要求。

4.2 應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

EtherCAT-IO模塊應(yīng)用在可變角SPECT上，應(yīng)用EtherCAT-IO模塊的可變角SPECT目前已完成三類醫(yī)療儀器注冊(cè)。EtherCAT-IO模塊承擔(dān)四項(xiàng)工作，分別為整機(jī)床的兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制通訊、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制通訊、自主身體輪廓掃描傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制、擴(kuò)展的47個(gè)通用傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。應(yīng)用評(píng)價(jià)基于此四個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)展，進(jìn)行了累計(jì)10萬(wàn)次應(yīng)用測(cè)試監(jiān)測(cè)，詳細(xì)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用測(cè)試

驗(yàn)證結(jié)果：EtherCAT-IO模塊，在10萬(wàn)次應(yīng)用測(cè)試中，運(yùn)行正常，故障率為零，符合要求。

5 結(jié)論

本文介紹的EtherCAT-IO模塊在SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，提升運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性，周期性的實(shí)時(shí)通訊功能確保了擴(kuò)展的模塊狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋與控制，尤其與可變角SPECT身體輪廓掃描傳感器配合使用，極大的提升輪廓掃描傳感器狀態(tài)反饋到運(yùn)動(dòng)控制中心的時(shí)效性，同時(shí)不影響其它運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)時(shí)控制與通訊。

實(shí)驗(yàn)證明，EtherCAT-IO模塊工作穩(wěn)定，可以在SPECT運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。