CN207529149U - 基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，属于医疗设备现场控制和数据采集技术领域。包括通用计算机、基于现场总线的运动控制器以及多个多轴电机控制单元；运动控制器一端与通用计算机连接，另一端通过现场总线分别与各多个多轴电机控制单元内多轴伺服驱动器同步连接；各多轴电机控制单元内，各驱动电机的两端均分别与多轴伺服驱动器和多通道信号采集器相连，多通道信号采集器与多轴伺服驱动器通过高速差分串行通信接口连接。本系统在驱动电机数量多、数据传输量大的情况下，可减少传输线缆数量，提高工艺性和可靠性；多通道信号采集器可在电流环控制周期内完成多轴电机的位置采集和传输，满足伺服控制实时性要求。
Description
技术领域
本实用新型属于医疗设备现场控制和数据采集技术领域，特别是涉及一种基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统。
背景技术
放射治疗中，实现调强放疗的关键核心部件是多叶光栅(Multi-leafCollimator,MLC)。多叶光栅以钨合金叶片阵列为执行机构，以多轴电机阵列为驱动，每个叶片根据多叶光栅控制系统发出的位置指令运动到相应的位置，快速准确地形成临床需要的射野形状。每一个电机驱动一个叶片，实际MLC中需要多个电机(常规产品中有80个、120个)，因此对电机阵列实现高速实时精准的控制是多叶光栅控制系统中的重要问题。
电机阵列的电机数量多，每个电机都需要进行实时的准确的伺服控制，因此需要同时获取位置指令和位置反馈信号。
对于位置指令信号来说，MLC控制系统要求传递信号的线缆抗干扰能力强，同时能够同步传输每一个节点的数据。对于多从站的数据传输，工业应用中出现了很多现场总线，如德国倍福推出的EtherCAT，西门子推出的Profinet IRT，日本安川公司推出的MechatrolinkII总线协议等。这些实时的现场总线技术能够支持ms级的传输周期和几十个传输节点，且可在所有的从站之间实现完全同步，从而能够满足MLC电机阵列的数据传输同步要求。但在目前的MLC控制系统中，均是采用点对点的传输方式，尚未见到现场总线技术的应用。
对于位置反馈信号来说，现有MLC控制系统中，所有电机的位置反馈信号线都直接并行地接入驱动器，此时用于数据采集的线缆数量会非常多。数据采集除了并行通信之外，还有串行通信。常用的串行通信(如SPI，USB等)用到的传输线缆的数量较少，但传输速度较慢(约50Mbps)，难以满足电流环实时闭环的传输速度要求。高速差分串行通信(如采用低电压差分信号(LVDS)、电流型逻辑(CML)、正发射极耦合逻辑(PECL)接口等) 是低电压差分信号接口，差分信号利用两根线来传输数据。发送端一般为电流驱动器，在正引线上，电流正向流动，负引线构成电流的返回通路。接收器仅仅给出正负引线上的信号差，引线上共有的噪声将被抑制掉，从而增大了信噪比。此外，高速差分串行通信的电压摆幅仅约500mV，相比于常用的TTL/CMOS电平来说，信号摆幅越小使得信号转换的时间更短，从而能到更高的传输速度(>1Gbps)。小摆幅和差分的本质使得高速差分串行通信成为一种高速、低噪声和低功耗的技术。
但在目前的MLC控制系统中，尚未见到高速差分串行通信技术的应用。一方面，目前采用的电机均为直流电机，用于每个电机位置反馈的信号线仅为两根；另一方面，目前的MLC叶片数量大都在100个左右，因此总的信号线缆数量为200根左右，尚且能够接受。但是从MLC发展的趋势来看，直流电机会被交流伺服电机所取代(交流电机的位置反馈有四根信号线)，叶片的数量也会翻倍，因此如果依然采用目前并行传输的方案，信号线的线缆数量将达到近1000根，极大地影响系统可靠性。
实用新型内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，通过采用总线方式进行数据传输，满足了位置指令信号的同步性要求和位置反馈信号的实时性要求。
本实用新型采用以下技术方案：
一种基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，包括通用计算机、基于现场总线的运动控制器以及多个多轴电机控制单元；各所述多轴电机控制单元均包括数个驱动电机构成的电机阵列，以及均基于高速差分串行通信的多通道信号采集器和多轴伺服驱动器；其中，所述基于现场总线的运动控制器的网口与通用计算机的网口连接，该基于现场总线的运动控制器的通信端口通过现场总线分别与各多个多轴电机控制单元内多轴伺服驱动器的通信端口同步连接；各所述多轴电机控制单元内，各驱动电机的动力线均与所述多轴伺服驱动器的动力线接口相连，各驱动电机的信号线均与所述多通道信号采集器的信号线接口相连，所述多通道信号采集器与多轴伺服驱动器通过高速差分串行通信接口连接。
可选地，所述多通道信号采集器包括发送模块和数模数转换模块，所述多轴伺服驱动器包括接收模块和多轴伺服驱动器控制芯片，所述发送模块和接收模块均设有高速差分串行通信接口；其中，各模数转换模块的输入端与相应的一个驱动电机连接，各模数转换模块的输出端与发送模块的双向同步串行接口并行连接；发送模块和接收模块通过所述高速差分串行通信接口连接；接收模块分别通过数据总线和地址总线与多轴伺服驱动器控制芯片连接，该多轴伺服驱动器控制芯片通过现场总线与所述基于现场总线的运动控制器连接。
本实用新型的特点及有益效果如下：
1、采用了基于现场总线的运动控制器，指令信号周期为ms级，各从站之间完全同步，从而能够满足多叶光栅系统中叶片之间的同步控制要求。
2、在电机阵列附近就近采用了多通道信号采集器，并行地采集多个直线电机的位置信号，并变成串行信号传输至多轴伺服驱动器中，极大地减少了传输线缆的数量。
3、多通道信号采集器采用高速差分串行通信进行通讯，其采集和传输总周期为us级，小于电机电流环控制周期，能够满足电机电流闭环的实时控制要求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明，附图中：
图1为本实用新型实施例的系统框图；
图2为多通道信号采集器的实现框图。
具体实施方式
为了便于更加深入地理解本实用新型，更加清楚地理解本实用新型的目的、实施过程以及本实用新型的优点，下面将结合附图对本实用新型进行详细地说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，但并不用于限定本实用新型。
本实用新型提出的一种基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，包括通用计算机、基于现场总线的运动控制器以及多个多轴电机控制单元；各多轴电机控制单元均包括数个驱动电机构成的电机阵列，以及均基于高速差分串行通信的多通道信号采集器和多轴伺服驱动器；其中，基于现场总线的运动控制器的网口与通用计算机的网口连接，该基于现场总线的运动控制器的通信端口通过现场总线分别与各多个多轴电机控制单元内多轴伺服驱动器的通信端口同步连接；各多轴电机控制单元内，各驱动电机的动力线均与多轴伺服驱动器的动力线接口相连，各驱动电机的信号线均与多通道信号采集器的信号线接口相连，多通道信号采集器与多轴伺服驱动器通过高速差分串行通信接口连接。
可选地，多通道信号采集器包括发送模块和数个数模数转换模块，多轴伺服驱动器包括接收模块和多轴伺服驱动器控制芯片，发送模块和接收模块均设有高速差分串行通信接口；其中，各模数转换模块的输入端与相应的一个驱动电机连接，各模数转换模块的输出端与发送模块的双向同步串行接口并行连接；发送模块和接收模块通过所述高速差分串行通信接口连接；接收模块分别通过数据总线和地址总线与多轴伺服驱动器控制芯片连接。
可选地，通用计算机用于将所有驱动电机的位置和速度指令一次性发送给基于现场总线的运动控制器，该运动控制器再实时地向每个多轴伺服驱动器同步发送驱动电机的位置和速度指令。
可选地，多通道信号采集器就近安装在电机阵列附近，用于并行采集相应驱动电机的位置信号，再进行串行传输。
可选地，多通道信号采集器采用高速差分串行通信，用于在电流环控制周期内完成多轴驱动电机的实时位置采集与传输，并用于多轴伺服驱动器对驱动电机位置的闭环控制。
可选地，现场总线同时采用Mechatrolink II总线、EtherCAT总线、Profinet IRT总线或 Mechatrolink III总线中的任一种，均为公知技术。
可选的，高速差分串行通信接口同时采用LVDS接口、CML接口或PECL接口中的任一种，均为公知技术。
可选地，驱动电机同时采用直线电机或旋转电机。
实施例：
本实施例涉及一种基于现场总线和高速串行总线的多叶光栅(MLC)控制系统，整体结构如图1所示，包括通用计算机(带有键盘和鼠标等输入设备)、基于MechatrolinkII总线的运动控制器(采用市售产品或者本领域的常规技术制得)以及8个多轴电机控制单元(该多轴控制单元的个数可根据实际MLC的叶片数量设定)；各多轴电机控制单元均包括由n(n的最大值为16，本实施例n＝16)个直线电机(每1个直线电机与相应的1个多叶光栅叶片连接)构成的电机阵列以及均设有低电压差分信号(LVDS)接口的多通道信号采集器和多轴伺服驱动器各1个；其中，基于Mechatrolink II总线的运动控制器的网口与通用计算机的网口相连；基于Mechatrolink II总线的运动控制器的通信端口分别通过 MechatrolinkII总线与各多轴电极控制单元内多轴伺服驱动器的通信端口(各多轴伺服驱动器的通信端口作为相应多轴电机控制单元的通信端口)同步连接；各多轴电机控制单元内，各直线电机的动力线均与多轴伺服驱动器的动力线接口相连，各直线电机的信号线均与多通道信号采集器的信号线接口相连，多通道信号采集器与多轴伺服驱动器通过LVDS 接口连接进行高速差分串行通信。
本实施例的各多轴电机控制单元中，均设有LVDS接口的多通道信号采集器和多轴伺服驱动器的结构如图2所示，多通道信号采集器就近安装在电机阵列附近，该多通道信号采集器包括n个模数转换(ADC)模块和1个发送模块，多轴伺服驱动器包括接收模块和多轴伺服驱动器控制芯片各1个，发送模块和接收模块均分别设有LVDS接口(包括正端口SD+ 和负端口SD-，正端口与正引线连接，负端口与负引线连接；对于发送模块，在正引线上，电流正向流动，负引线构成电流的返回通路；对于接收模块，测量出正负引线上的信号差，引线上共有的噪声将被抑制掉，从而增大了信噪比)；其中，各模数转换模块的输入端与相应的1个直线电机连接，各模数转换模块的输出端与发送模块的双向同步串行接口并行连接，将各直线电机的位置信号并行传输到发送模块中；发送模块的LVDS接口与接收模块的 LVDS接口连接，分别进行各直线电机位置信号的串行传输，接收模块的数据接口和地址接口分别通过数据总线和地址总线与多轴伺服驱动器控制芯片连接，该多轴伺服驱动器控制芯片通过现场总线与基于现场总线的运动控制器连接。本实施例的多通道信号采集器和多轴伺服驱动器均通过常规电器件实现，其中，ADC模块的型号为ic-NQC，发送模块和接收模块均采用型号为5M160ZE64C5的电流驱动器，伺服驱动器的控制芯片型号为TMS320F20069。本实用新型实施例中，利用设有LVDS接口的多通道信号采集器将多路并行的直线电机位置信号变成串行信号进行传输，极大减少了传输线缆的数量；另一方面，基于高速差分串行通信的多通道信号采集器能够在电流环控制周期内完成电机阵列的实时位置采集，并将所有数据实时传输到多轴伺服驱动器中，实现各直线电机位置的闭环控制。
本实施例的通用计算机上安装有多叶光栅控制系统图形用户界面软件，该软件为用户提供了输入界面，使得用户能够设置每个叶片的速度和位置。
为了更详细地描述图1所示实施例的多叶光栅控制系统的工作流程，将工作流程说明如下：
步骤1：开通控制电源和功率电源，给基于Mechatrolink II总线的运动控制器、多轴伺服驱动器和基于LVDS接口的多通道信号采集器上电，通用计算机加载网卡驱动，启动基于MechatrolinkII总线的运动控制器和多叶光栅控制系统图形用户界面(GraphicalUser Interface,GUI，内嵌于通用计算机内)。
步骤2：多叶光栅控制系统运行后，对多叶光栅控制系统初始化，通过多叶光栅控制系统GUI将初始化数据发给基于Mechatrolink II总线的运动控制器，该基于MechatrolinkII 总线的运动控制器再将初始化数据发送给各多轴电机控制单元内的多轴伺服驱动器，使各个执行机构(直线电机)回归至零点位置即初始位置。
步骤3：在多叶光栅控制系统GUI中写入各直线电机的速度和位置指令，并一次性发送至基于MechatrolinkII总线的运动控制器。
步骤4：基于MechatrolinkII总线的运动控制器将接收到的速度和位置指令发送至多轴电机控制单元1-8中。
步骤5：基于LVDS接口的多通道信号采集器1对各直线电机的位置反馈信号进行采集，并将该位置反馈信号通过高速差分串行通信实时传送到对应的多轴伺服驱动器1。
步骤6：多轴伺服驱动器1利用步骤5中获得的各直线电机位置反馈信号完成实时的电流环闭环控制，并驱动相应直线电机按照步骤4中给定的速度和位置指令运行，推动多叶光栅叶片运行到指定位置。
步骤7：多轴伺服驱动器2-8同步执行步骤5至步骤6的操作，直至所有电机阵列中的直线电机都运行到指定位置。
Claims (5)
1.一种基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，其特征在于，包括通用计算机、基于现场总线的运动控制器以及多个多轴电机控制单元；各所述多轴电机控制单元均包括数个驱动电机构成的电机阵列，以及均基于高速差分串行通信的多通道信号采集器和多轴伺服驱动器；其中，所述基于现场总线的运动控制器的网口与通用计算机的网口连接，该基于现场总线的运动控制器的通信端口通过现场总线分别与各多个多轴电机控制单元内多轴伺服驱动器的通信端口同步连接；各所述多轴电机控制单元内，各驱动电机的动力线均与所述多轴伺服驱动器的动力线接口相连，各驱动电机的信号线均与所述多通道信号采集器的信号线接口相连，所述多通道信号采集器与多轴伺服驱动器通过高速差分串行通信接口连接。
2.如权利要求1所述的基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，其特征在于，所述多通道信号采集器包括发送模块和数个模数转换模块，所述多轴伺服驱动器包括接收模块和多轴伺服驱动器控制芯片，所述发送模块和接收模块均设有高速差分串行通信接口；其中，各模数转换模块的输入端与相应的一个驱动电机连接，各模数转换模块的输出端与发送模块的双向同步串行接口并行连接；发送模块和接收模块通过所述高速差分串行通信接口连接；接收模块分别通过数据总线和地址总线与多轴伺服驱动器控制芯片连接，该多轴伺服驱动器控制芯片通过现场总线与所述基于现场总线的运动控制器连接。
3.如权利要求1所述的基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，其特征在于，所述现场总线同时采用Mechatrolink II总线、EtherCAT总线、Profinet IRT总线或Mechatrolink III总线中的任一种。
4.如权利要求1所述的基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，其特征在于，所述高速差分串行通信接口同时采用LVDS接口、CML接口或PECL接口中的任一种。
5.如权利要求1或2所述的基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统，其特征在于，所述驱动电机同时采用直线电机或旋转电机。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201721741643.7U CN207529149U (zh) | 2017-12-14 | 2017-12-14 | 基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统 |
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| CN201721741643.7U CN207529149U (zh) | 2017-12-14 | 2017-12-14 | 基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统 |
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ID=62579223
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107942698A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-04-20 | 清华大学 | 基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统 |
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2017
- 2017-12-14 CN CN201721741643.7U patent/CN207529149U/zh active Active
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