CN109857036A - 束流斩波监控系统 - Google Patents

Abstract

一种束流斩波监控系统，用于控制脉冲发生器产生高压脉冲，将连续束流转变为脉冲束流，包括：束流斩波监控服务器，用于下发产生高压脉冲所需的时间参数及事例文件，并对采集到的高压脉冲输出的波形数据进行分析及显示分析后的数据；智能控制器，用于根据时间参数及事例文件输出晶体管‑晶体管逻辑电平控制信号至脉冲发生器，产生高压脉冲；数据采集卡，用于采集高压脉冲输出的波形数据并通过高速背板总线传输至束流斩波监控服务器，以及控制脉冲发生器的开关、使能、联锁、倒置及自动复位等。该监控系统能够实现对束流斩波系统高精度、高实时性、高可靠性的远程监控。

Description

束流斩波监控系统

技术领域

本发明涉及肿瘤放射治疗技术领域，尤其涉及一种应用于重离子加速器的束流斩波监控系统。

背景技术

医用重离子加速器是医用重离子治疗装置(HIMM)的关键系统，医用重离子加速器分为回旋注入系统、中能传输系统、同步加速器及高能传输系统。其中回旋注入系统包含电子回旋共振(ECR)离子源、低能传输线及回旋加速器。电子回旋共振(ECR)离子源提供稳定可靠的C⁵⁺离子束流，以回旋加速器作为注入器，将ECR离子源提供的C⁵⁺离子束能量提高到7MeV/u，经中能传输系统将束流输运至同步加速器，同步加速器将重离子束流加速至治疗终端需求的束流能量范围内，再经高能传输系统输运至治疗终端进行重离子束治疗。

低能传输线的主要功能是从离子源系统引出的含有多种质荷比的混合离子束中分离出C⁵⁺离子束，并将其配送、匹配至回旋加速器。因回旋注入系统的后级同步加速器装置只有在注入期间需要来自其前级系统的C⁵⁺离子束，为了避免中高能C⁵⁺离子束在同步加速器入口大量损失造成设备损伤，在低能传输线系统中安装了一套束流斩波系统，在同步加速器需要束流时离子束可由低能传输线正常注入回旋加速器，在同步加速器不需要束流时束流斩波系统将离子束偏至低能传输线的法拉第筒。

束流斩波系统的主要工作原理是操作人员通过控制系统设置束流的时间结构参数，调节束流斩波系统的输出，在束流通过的区域给两个平板电极施加适当的脉冲高压，使束流发生偏转，将离子源引出的直流束分割为两部分，有用部分将通过聚束器聚相后注入回旋加速器，不需要的部分将通过束流斩波系统的偏转作用偏至低能线的法拉第筒。使连续束流转变为脉冲束流，从而实现对束流的时间结构的调整。

束流斩波(CHOPPER)系统由高压直流电源、PVX-4140高压脉冲发生器、电极、以及束流斩波监控系统组成，系统结构图如图1所示。其中，高压直流电源为束流斩波系统提供直流高压。脉冲发生器根据控制系统提供的TTL电平触发门信号将直流高压电源提供的直流高压转换为相应周期与占空比的高压脉冲。电极为两块平行板，真空焊接于安装法兰。由脉冲发生器加载于两极板之间的高压脉冲，将束流斩成脉宽和频率可调的束团，便于回旋注入与同步环接收。

束流斩波监控系统需根据操作人员设置的参数，提供满足一定周期、占空比、延迟时间及脉冲宽度的TTL电平控制脉冲发生器的输出。根据医用重离子加速器调试和运行要求，脉冲发生器需要有两种运行模式：连续脉冲模式和单脉冲模式，脉冲周期、占空比，周期延迟时间均可调，最小脉冲宽度为2微秒。连续脉冲模式下，单次触发后脉冲连续输出。单脉冲模式下，单次触发后输出单次脉冲。周期延时参数调节精度为微秒级。同时脉冲发生器需要远程控制其开启/关闭、使能及联锁等功能，并对输出的高压脉冲波形数据进行实时采集、显示。因此需要一套高精度、高实时性、高可靠性的束流斩波监控系统，来满足对束流斩波系统的远程控制与监测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本发明提供一种应用于重离子加速器的束流斩波监控系统，用于至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种应用于重离子加速器的束流斩波监控系统，用于控制脉冲发生器产生高压脉冲，将连续束流转变为脉冲束流，包括：束流斩波监控服务器，用于下发产生高压脉冲所需的时间参数及事例文件以及对采集的高压脉冲输出的波形数据进行分析并显示分析后的数据；智能控制器，用于根据时间参数及事例文件输出晶体管-晶体管逻辑电平控制信号至脉冲发生器，产生高压脉冲，将连续束流转变为脉冲束流；数据采集卡，用于采集高压脉冲输出的波形数据并通过高速背板总线传输至束流斩波监控服务器，以及控制脉冲发生器的动作。

可选地，束流斩波监控服务器运行有人机操作界面、波形数据分析模块、通信及数据传输模块及协议转换模块；人机操作界面用于设置时间参数及事例文件，并显示波形数据；波形数据分析模块用于对高压脉冲输出的波形数据进行分析；通信及数据传输模块用于传输时间参数及事例文件至智能控制器以及接受数据采集卡采集的波形数据；协议转换模块用于将分析后的数据转化为标准工业数据供访问。

可选地，智能控制器的主控芯片为内嵌ARM核的现场可编程门阵列，ARM核用于智能控制器产生高压脉冲过程中资源调配及通讯；现场可编程门阵列包括光事例信号解译模块、晶体管-晶体管逻辑波形生成模块及硬件时序控制模块；光事例信号解译模块用于接收触发事例光信号并转换为触发事例码，并将触发事例码与智能控制器根据事例文件预存储的事例码进行比较，若符合，则触发硬件时序控制模块进行延时计数；晶体管-晶体管逻辑波形生成模块用于根据时间参数生成晶体管-晶体管逻辑电平控制信号，并在硬件时序控制模块延时计数完成后输出晶体管-晶体管逻辑电平控制信号至脉冲发生器。

可选地，数据采集卡设有至少一路模拟I/O通道及至少四路数字I/O通道；通过至少一路模拟I/O通道采集高压脉冲输出的波形数据；通过至少四路数字I/O通道同时输出模拟电压信号控制脉冲发生器的动作。

可选地，束流斩波监控服务器包括PXIe机箱及PXIe控制器，数据采集卡采集的高压脉冲输出的波形数据通过PXIe背板总线传输至PXIe控制器。

可选地，PXIe机箱设有至少一个系统插槽及多个外设插槽，PXIe控制器插入至少一个系统插槽，数据采集卡插入其中一个外设插槽。

可选地，束流斩波监控系统连接有重离子加速器中央监控系统，束流斩波监控系统与重离子加速器中央监控系统通过高速以太局域网进行数据交互。

可选地，PXIe控制器及数据采集卡设有扩展插槽及扩展通道。

可选地，智能控制器与脉冲发生器通过屏蔽电缆进行连接，数据采集卡与脉冲发生器通过数据采集线缆进行连接。

可选地，束流斩波监控系统与重离子加速器中央监控系统采用标准工业通信协议进行数据交互。

(三)有益效果

本发明提供一种应用于重离子加速器的束流斩波监控系统，包括有益效果：

1、该系统采用内嵌ARM核的现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)相结合的设计方式，提供了较好的串行和并行处理能力，发挥了FPGA逻辑控制对大量数据进行高速处理的优势以及ARM软件编程灵活的特点。这不仅简化了ARM与FPGA之间的通讯，也使片外扩展存储器以及与外设通讯变得相对简单；同时通过在FPGA中嵌入各种IP软核和用户控制逻辑/复杂算法控制逻辑以实现各种接口和控制任务。基于ARM的FPGA能够对逻辑资源进行动态配置，实现时间的时分复用，节省逻辑资源。

2、该系统采用了标准商业工控机(PXIe机箱及PXIe控制器)及虚拟仪器技术，使得后期对该系统的改进和功能扩展只需更新相关的软件设计，规避了硬件设备驱动开发的繁重工作，并且不需要对硬件板卡进行更改或重新设计，有效减少了硬件研发的周期，提高了系统的可靠性及可维护性，避免了系统升级困难，减少了系统的作业难度。

3、PXIe机箱符合CPCI机械规范，具有空气冷却装置，符合工业环境测试(温度、湿度、震动和冲击试验)等要求，保证了该系统的EMC及电气安全特性，以及系统的易集成性。PXIe控制器与数据采集板卡之间通过PXIe背板总线进行数据交互，保证了数据的传输速度，系统的实时性、可靠性和同步性得到有效提高。同时，PXIe机箱及数据采集板卡预留了扩展插槽和扩展通道，以便后期系统功能的扩展。

4、该系统采用标准工业通信协议OPC UA，保证了通讯协议的标准化与规范化，方便本系统与其他标准工控系统的无缝连接，大大缩短了系统开发的周期，提高升级代换产品的可选性。同时，延长了软件的生命周期，使得整个系统标准、开放，利于以后系统扩展及升级。

附图说明

图1是本发明实施例应用于重离子加速器的束流斩波系统结构示意图。

图2是本发明实施例应用于重离子加速器的束流斩波监控硬件体系结构示意图。

图3本发明实施例应用于重离子加速器的控制器接口及工作原理示意图。

图4本发明实施例应用于重离子加速器的束流斩波监控系统软件体系结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提出一种应用于重离子加速器的束流斩波监控系统，以保证束流斩波系统能够根据物理操作人员的需求输出一定周期、占空比的高压脉冲，使连续束流转变为脉冲束流，实现对束流时间结构的调整。同时能够对脉冲发生器的高压脉冲输出波形进行实时显示，方便物理调试人员随时监测。

图2示意性示出本发明实施例应用于重离子加速器的束流斩波监控硬件体系结构示意图。如图2所示，束流斩波控制系统采用三层分布式控制系统架构，分别由上位机(系统控制层)、下位机(现场控制层)及被控设备(设备层)，其中上位机(系统控制层)及下位机(现场控制层)构成束流斩波控制系统的束流斩波监控系统。各层之间通过现场总线、网线、交换机等网络通信设备进行连接，不同级别的设备通过以太网及各种现场总线技术进行数据通信。其中上位机通过高速以太网与医用重离子加速器局域网相连，实现束流斩波监控系统与加速器控制系统之间的数据传输及信息交互。下面详细介绍。

上位机为束流斩波监控服务器，用于下发产生高压脉冲所需的时间参数及事例文件以及对高压脉冲的波形数据进行分析并显示分析后的数据。具体地，束流斩波系统的实时数据库、实时作业、数据采集、数据存储、协议转换、设备控制以及故障报警的生成都在系统控制层的束流斩波监控服务器上运行。束流斩波监控系统相对加速器控制的其它子系统相对独立。束流斩波监控服务器除完成自身系统的功能，还可作为加速器控制系统与束流斩波系统的数据中转站。束流斩波监控服务器通过协议转换模块，依据标准工业OPC UA协议将所有束流斩波系统数据以OPC UA变量的形式进行发布，加速器中央控制服务器或其它子系统服务器可以通过OPC UACLIENT对束流斩波监控服务器的OPC UA SERVER进行访问。同时，束流斩波监控服务器还兼顾有操作员工作站及工程师运维站的功能，具备对相应子系统的配置、组态、调试及维护等功能。

本发明实施例束流斩波监控服务器由PXIe机箱、PXIe控制器及其控制软件组成。PXIe机箱采用3U18槽PXI机箱，支持3U PXI和Compact PCI模块，兼容PXI Rev.2.2规范，提供至少一个系统插槽和多个(7个)外设插槽，其中，多个外设插槽中包含一个星型触发控制器插槽。控制器采用美国NI公司PXIe-8135，CPU采用Core^TM i7，处理器主频2.2GHz，前端总线带宽800MHz，最大支持16GB内存，前面板上提供两个具有LED显示的千兆以太网RJ-45网络端口，4个USB2.0端口，2个USB3.0端口，固态硬盘容量为80GB。PXIe控制器插入PXIe机箱的系统插槽内。通过控制软件在束流斩波监控服务器上运行有人机操作界面、波形数据分析模块、通信模块及协议转换模块，人机操作界面用于设置时间参数及事例文件，并显示高压脉冲的波形数据；波形数据分析模块用于对高压脉冲的波形数据进行分析；通信模块用于传输时间参数及事例文件至智能控制器以及接受数据采集卡采集的波形数据；协议转换模块用于将分析后的数据转化为标准工业数据供访问。

下位机为智能控制器及数据采集卡，智能控制器用于根据束流斩波监控服务器下发的时间参数及事例文件输出晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平控制信号至脉冲发生器)，作为脉冲发生器输入栅极TTL触发门信号，产生高压脉冲，将连续束流转变为脉冲束流；数据采集卡用于采集高压脉冲输出的波形数据并传输至束流斩波监控服务器，以及控制脉冲发生器的开关、使能、联锁、倒置及自动复位等功能，束流斩波监控服务器与数据采集卡通过高速背板总线进行数据传输。

脉冲发生器输入栅极TTL触发门信号的产生是由一款自行研发的CHOPPER智能控制器来承担，该智能控制器主控CPU芯片采用内嵌ARM核的FPGA，同时提供高速以太网、高速光纤通讯、DAC、RS232等接口，束流斩波监控服务器可连接至少一个智能控制器。其接口及设计参数如图3所示。本发明实施例CHOPPER智能控制器主要设计参数如下：

1)外部输入供电范围：24～28V直流输入(配备220V转DC28V电源适配器)；

2)ARM带板载内存：1GByte DDR 3；

3)FPGA带板载内存：1GByte DDR 3；

4)板内Flash存储：128MByte；

5)可外部扩展SD卡容量：8GByte；

6)DAC采样率：最大10MHz；

7)DAC输出端口：端口SMA；

8)网络接口：1000M/100M/10M自适应，RJ45接头。

CHOPPER控制器通过以太网接口接收从束流斩波监控服务器下发的事例文件以及脉冲宽度、脉冲周期、延时参数等时间参数。控制ARM核完成参数文件的存储，同时将时间参数信息传送到FPGA并根据参数进行TTL波形数据的生成。光纤接口接收到同步触发系统发出的光事例信号后，解译并响应相应的脉冲输出事例，由FPGA计数等待响应的延时后，从DAC输出脉冲波形。具体地，FPGA包括光事例信号解译模块、TTL波形生成模块及硬件时序控制模块；光事例信号解译模块将接收的触发事例光信号转换为触发事例码，并将该触发事例码与智能控制器根据束流斩波监控服务器下发的事例文件预存储的事例码进行比较，若符合，则触发硬件时序控制模块进行延时计数；TTL波形生成模块根据时间参数生成TTL电平控制信号，并在硬件时序控制模块延时计数完成后输出TTL电平控制信号至脉冲发生器，输出高压脉冲。本实施例CHOPPER智能控制器脉宽输出精度为10ns，延时设定精度为100ns。

数据采集卡插入前端PXIe机箱其中的一个外设插槽内，通过PXIe背板总线与PXIe控制器进行数据传输，CHOPPER监控程序通过调用LabVIEW底层DAQ(Data Acquisition)驱动，实现对数据采集卡的配置、硬件控制以及快速的采集数据处理及编程。数据采集卡设有至少一路模拟I/O通道及至少四路数字I/O通道；通过至少一路模拟I/O通道采集高压脉冲输出的波形数据；通过至少四路数字I/O通道同时输出模拟电压信号控制脉冲发生器的动作，如开关、使能、联锁、倒置及自动复位等功能。数据采集卡设有扩展插槽及扩展通道。本发明实施例数据采集卡选取PXIe6124多功能数据采集模块，该模块提供了4路同步采样模拟I/O，每通道采样速率为4MS/s，分辨率为16位。同时具有24路数字I/O、两个32位计数器和模拟和数字触发通道，1个独享模块至控制器间带宽的PXI Express接口。本实施例利用其一路模拟差分输入I/O通道实现对脉冲发生器输出高压波形的数据采集，同时由其4路数据I/O输出0～+5V的模拟电压信号完成对脉冲发生器的远程开关及使能等动作。

设备控制层的脉冲发生器(被控设备)通过RVVP屏蔽控制及数据采集线缆分别与CHOPPER智能控制器及数据采集卡的I/O接口相连，确保在现场环境下数据传输的抗干扰性。

束流斩波监控系统连接有重离子加速器中央监控系统，束流斩波监控系统与重离子加速器中央监控系统通过高速以太局域网进行数据交互，数据交互采用标准工业通信协议。

本发明实施例提供的束流斩波监控系统具有自身的软件控制系统，该软件采用虚拟仪器仪表技术进行系统集成与开发，这使得后期对该系统的改进和功能扩展只需更新相关的软件设计，而不需要对硬件板卡进行更改或重新设计，有效减少了硬件研发的周期，提高了系统的可靠性及可维护性，避免了系统升级困难，减少了系统的作业难度。

具体地，束流斩波监控系统软件为C/S(客户端/服务器)体系架构，主要包括两部分：一部分为上位机软件，采用NI基于图形化的开发工具LabVIEW进行程序开发与界面设计；另一部分为下位机软件(CHOPPER智能控制器)。束流斩波监控系统软件体系结构图如图4所示：

上位机软件主要包括人机操作界面、波形数据分析模块、与下位机的通信及数据传输模块、协议转换模块(OPC UA SERVER)。上位机通过以太网向下位机(CHOPPER智能控制器)下发命令及参数，同时通过调用LabVIEW底层DAQ(Data Acquisition)驱动程序，实现对数据采集卡模拟通道的数据采集、分析及显示；上位机上同时运行OPC UA Server模块，依据标准工业OPC(OLE for Process Control)UA协议将所有经过处理或过滤的数据以OPCUA变量的形式进行发布，加速器中央控制服务器或其它子系统服务器可通过以太网以OPCUA CLIENT对服务器的OPC UA SERVER进行访问。

下位机(CHOPPER智能控制器)控制程序，采用Altera公司的综合性现FPGA开发软件Quartus II 13.1(32位)进行程序开发与设计。CHOPPER智能控制器硬件采用内嵌ARM A9核心芯片的Cyclone V系列FPGA，其中ARM部分主要实现内部资源调配、网络通讯、Linux操作系统运行等功能，FPGA部分主要完成各种外部接口功能实现、控制逻辑实现和复控制算法实现等功能。控制器ARM芯片Linux操作系统内核版本为3.7.0。FPGA程序主要包括光事例信号解译模块、TTL波形生成模块以及硬件时序控制模块。其中光事例信号解译模块用于将光事例信号接收接口收到的触发事例光信号与上位机下发参数包中的下发事例表进行比较，如事例符合，则触发硬件时序控制模块进行延时计数。硬件时序控制模块主要是根据网络下发参数包中的延时要求，在接到光事例信号解译模块通知后基于板载100M晶振进行计数，在计数完成后通知DAC硬件接口及光事例符合接口输出TTL波形和符合光事例信号。TTL波形生成模块则根据上位机下发的参数要求生成控制脉冲发生器产生高压脉冲的TTL电平控制信号，并在接收到硬件时序控制模块的通知后，输出到DAC接口进行TTL电平控制信号输出。

综上所述，本发明提出一种应用于重离子加速器的束流斩波监控系统，以保证斩波器能够根据物理操作人员的需求输出一定周期、占空比的高压脉冲，使连续束流转变为脉冲束流，实现对束流时间结构的调整。同时能够对脉冲发生器的高压脉冲输出波形进行实时显示，方便物理调试人员随时监测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种束流斩波监控系统，用于控制脉冲发生器产生高压脉冲，将连续束流转变为脉冲束流，其特征在于，包括：

束流斩波监控服务器，用于下发产生所述高压脉冲所需的时间参数及事例文件，并对所述高压脉冲的波形数据进行分析及显示分析后的数据；

智能控制器，用于根据所述时间参数及事例文件输出晶体管-晶体管逻辑电平控制信号至所述脉冲发生器，产生高压脉冲，将连续束流转变为脉冲束流；

数据采集卡，用于采集所述高压脉冲输出的波形数据并通过高速背板总线传输至所述束流斩波监控服务器，以及控制所述脉冲发生器的动作。

2.根据权利要求1所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述束流斩波监控服务器运行有人机操作界面、波形数据分析模块、通信及数据传输模块及协议转换模块；

所述人机操作界面用于设置所述时间参数及事例文件，并显示所述波形数据；

所述波形数据分析模块用于对所述高压脉冲的波形数据进行分析；

所述通信及数据传输模块用于传输所述时间参数及事例文件至所述智能控制器以及接受所述数据采集卡采集的高压脉冲输出的波形数据；

所述协议转换模块用于将所述分析后的数据转化为标准工业数据供访问。

3.根据权利要求1所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述智能控制器的主控芯片为内嵌ARM核的现场可编程门阵列，所述ARM核用于所述智能控制器产生所述晶体管-晶体管逻辑电平控制信号过程中资源调配及网络通讯；

所述现场可编程门阵列包括光事例信号解译模块、晶体管-晶体管逻辑波形生成模块及硬件时序控制模块；

所述光事例信号解译模块用于接收触发事例光信号并转换为触发事例码，并将所述触发事例码与所述智能控制器根据所述事例文件预存储的事例码进行比较，若符合，则触发所述硬件时序控制模块进行延时计数；

所述晶体管-晶体管逻辑波形生成模块用于根据所述时间参数生成所述晶体管-晶体管逻辑电平控制信号，并在所述硬件时序控制模块延时计数完成后输出所述晶体管-晶体管逻辑电平控制信号至所述脉冲发生器。

4.根据权利要求1所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述数据采集卡设有至少一路模拟I/O通道及至少四路数字I/O通道；

通过所述至少一路模拟I/O通道采集所述高压脉冲输出的波形数据；

通过所述至少四路数字I/O通道同时输出模拟电压信号控制所述脉冲发生器的动作。

5.根据权利要求1所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述束流斩波监控服务器包括PXIe机箱及PXIe控制器，所述数据采集卡采集的高压脉冲输出的波形数据通过PXIe背板总线传输至所述PXIe控制器。

6.根据权利要求5所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述PXIe机箱设有至少一个系统插槽及多个外设插槽，所述PXIe控制器插入所述至少一个系统插槽，所述数据采集卡插入其中一个外设插槽。

7.根据权利要求1所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述束流斩波监控系统连接有重离子加速器中央监控系统，所述束流斩波监控系统与所述重离子加速器中央监控系统通过高速以太局域网进行数据交互。

8.根据权利要求5所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述PXIe控制器及所述数据采集卡设有扩展插槽及扩展通道。

9.根据权利要求1所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述智能控制器与所述脉冲发生器通过屏蔽电缆进行连接，所述数据采集卡与所述脉冲发生器通过数据采集线缆进行连接。

10.根据权利要求7所述的束流斩波监控系统，其特征在于，所述束流斩波监控系统与所述重离子加速器中央监控系统采用标准工业通信协议进行数据交互。