治疗头测控系统的策划

作者：张耿旭 杜亚男 丁瑶 袁清珂 单位：广东工业大学机电工程学院

系统硬件电路设计

系统硬件电路由电源模块，控制器模块，RS-485通信模块，上钨门电机联锁、驱动及位置采集模块，下钨门电机联锁、驱动、制动及位置采集模块，治疗头旋转电机联锁、驱动及位置采集模块，治疗头野灯、测距灯驱动模块等组成。1控制器电路设计系统控制器采用ATMEL公司的ATmega128单片机，该控制器采用先进的RISC结构，工作在16MHz时其性能可达到16MIPS。控制器资源在系统中的应用配置如下:(1)5路10位ADC模块，分别采集上钨门、下钨门和治疗头旋转的位置数据，通过直流电机的闭环控制实现钨门的精确定位;(2)5路16位分辨率可编程的PWM模块，分别控制上钨门、下钨门和治疗头旋转的直流电机，实现钨门运动速度的精确控制;(3)2路US-ART模块，通过MAX485驱动芯片构建RS-485通信网络，实现上、下位机实时通信;(4)普通I/O接口，用于系统状态量控制，例如钨门刹车、换向，野灯、测距灯开关，连锁信号检测等功能。2电机驱动控制模块电路设计直流电机的驱动及控制是治疗头控制系统设计的关键。由于治疗头射野挡块是采用X射线透视率低的钨块制成，所以治疗头质量很大，这对电机的驱动提出了很高的要求。图3直流电机驱动电路原理图直流电机驱动采用集成驱动芯片LMD18200。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电机驱动的H桥组件，集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，设计采用24VDC供电，其峰值输出电流可以达到6A，连续输出电流可以达到3A，能够满足治疗头运动的驱动要求。电机运行及加速器高压工作环境会给治疗头控制系统带来很强的电磁干扰，干扰能够通过电源网络影响到控制器等模块的正常运行。为了提高系统可靠性，采用光电耦合隔离方法，把电机驱动电源和控制器电源进行隔离，避免干扰信号通过电源网络进行传递。治疗头控制系统设计有运动限位开关，能够对治疗头机械结构和电机等部件起到重要的保护作用。系统运动限位均设计为纯硬件保护电路，即使在误操作或者控制器跑飞等情况下，都不影响到限位的保护作用。同时每个电机均设计有自恢复保险，在驱动电流出现异常骤升时，能够及时切断电源，保护驱动电路和电机等部件。

系统软件设计

治疗头控制系统的软件设计由下位机控制器监控程序和上位机监控应用软件两部分构成。下位机监控程序的主要任务是:(1)通过中断方式接收中控台的控制命令，对控制命令进行协议解析;(2)根据控制命令的类型和参数进行电机、野灯、测距灯等模块控制;(3)把采集到的治疗头角度，上、下钨门的位置根据协议要求进行传输帧的构建，并实时发送到RS-485网络中。上位机监控应用软件主要完成的任务是:(1)根据放射治疗计划的要求，接受治疗医师的参数设定，包括治疗方式、射野范围、治疗头角度、剂量大小、治疗时间等;(2)根据治疗参数的设定，把相关参数根据协议内容构建传输帧并发送到RS-485网络中;(3)通过中断方式获取RS-485网络中治疗头的相关反馈数据，进行解析并在应用软件中进行实时监测。1控制器监控程序设计图4为控制器监控程序流程图。控制器监控程序是基于AVRStudio编译器开发环境，采用C语言编写的。系统在整个执行期间采用中断方式对上位机应用软件指令进行响应，这种中断响应方式能够大大节省控制器资源，从而提高系统响应的实时性。治疗头运动位置的精确、稳定采集是系统设计的重点和难点，直接影响到整个加速器放射治疗的精度。系统中采用的设计方案:(1)控制器ADC模块采用外部高精度稳压二极管LM385-2.5作为AD采集的基准电源，能够避免电源电压的波动所带来的参考电压的波动而造成采集位置的不稳定;(2)处理程序融合了中位置滤波、算术平均滤波、加权递推平均滤波等方法，对每一次位置反馈进行数字滤波处理，保证位置采集的精确和稳定。由于RS-485通讯协议仅对总线接口的电气特性做出规定，因此需要自行开发实际的应用层协议，应用层协议是整个网络通信的基础。2上位机监控应用软件开发上位机监控应用软件采用面向对象技术，运用VisualC++6.0开发工具进行人机界面的开发。软件采用对话框结构。串口通信模块是上位机监控软件开发的关键，该模块负责与底层RS-485网络进行信息交互。由于上位机没有直接的RS-485网络接口，所以必须通过RS-485/RS-232接口转换器将电平转换为RS-485标准电平才能接入RS-485通信网络。应用软件通信模块通过调用ActiveX串口控件MSComm进行开发，并采用事件驱动方式实现数据的实时通信，该方法既能够保证通信的可靠性，同时也可以提高模块开发的进度。

结论

加速器治疗头控制系统以AVR控制器为核心，充分应用其丰富的片上外设资源，不仅简化了系统电路，同时也提高了系统的可靠性和实时性。上位机监控软件通过RS-485总线与底层控制器进行实时通信，并采用VisualC++6.0进行开发，为用户提供了友好的操作界面。该治疗头控制系统现已在某型号医用加速器上得到临床应用。在系统开发过程中进行了大量的测试，结果表明:该系统的精度、可靠性和实时性均能满足放射治疗的要求。