[发明专利]基于现场总线和高速差分串行通信的多叶光栅控制系统

说明书

技术领域

本发明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-leaf Collimator,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。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明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。

本发明采用以下技术方案：

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，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。