（测试计量技术及仪器专业论文）正电子发射断层扫描仪（pet）中数据通信的实现.pdf

， 6 3 5 2 6 0 正电子发射断层扫描仪( p e t ) 中数据通信的实现 摘要 正电子发射计算机断层扫描( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 是核 医学领域发展的一项新技术，代表了当代最先进的无创伤性高品质影像诊断的新 技术，是高水平核医学诊断的标志，也是现代医学必不可少的高技术。 本论文在介绍研制国产p e t 的基础上，论述了p e t 系统的构成。由于p e t 是典型的大型电子医疗仪器，p e t 由多个模块组成，各个模块之间必然要涉及到 数据通信，所以本论文详细地介绍了p e t 各个模块组成的多机通信系统。 论文的第一章是绪论部分，介绍了何为p e t ，以及p e t 与其它影像手段相比 具有的技术优势。同时也对目前国内外p e t 的研制现状做了分析。 论文的第二章着重介绍了p e t 的整体构成、p e t 系统工作原理及各模块的功 能，以及与传统p e t 相比所具有的显著特点。 论文的第三章是本论文的重点，在本章中首先分析了p e t 系统的数据流 ( d a t af l o w ) ，然后又分析了机电系统通信的需求、多机通信的逻辑信道，最后 确立了机电系统多机通信的结构。 论文的第四章介绍了机电系统多机通信的硬件实现。首先介绍了串行通信控 制器8 5 c 3 0 ，给出了8 5 c 3 0 接口电路的设计。然后对其它通信接口电路的设计也 进行了说明。 论文的第五章介绍了机电系统多机通信的软件实现。首先给出了主机箱 ( g a n t r y ) 控制板通信软件的设计，包括8 5 c 3 0 应用程序的设计以及g a n t r y 通 信程序的整体结构。然后给出了其它控制板通用串行通信软件的设计，包括发送 程序、接收程序、解包程序等。 对任何一个系统的设计而言，可靠性都应该得到足够的重视。第六章对通信 的可靠性进行了分析。对于串行通信来说，我们从两个方面来保证可靠性的实现， 即硬件方面和软件方面。硬件方面我们采用成熟可靠的r s 4 2 2 总线技术，选用高 可靠性的通信芯片，以及给通信线路加上屏蔽层等措旋来提高可靠性。软件方面 可以根据不同的通信要求和模块采取不同的措施，总的来说，有下面几种软件方 面的措施，通信前的握手通信方法、纠突发错误的软件设计等。 论文的最后一章介绍了p e t 系统串行通信测试稳序的开发过稔，利用该程序 可以对p e t 系统中的机电控制部分进行审行通信测试、控制执行部件进行动作、 以及模蘩其它率行臻墨的功耱等。 荚键词：p e t 机电控制串行通信多机通信r s 4 2 28 5 c 3 0纠突发错 误d e l p h i 多线程 n t h e d e s i g n o fd a t a c o m m u n i c a t i o no fp o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ( p e t ) a b s t r a c t p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y 窖e t ) ，an e w l y d e v e l o p e dt e c h n o l o g yi nn u c l e a r m e d i c a ld o m a i n ，t y p i c a l l yc h a r a c t e r i z e sw i t hh i g h * q u a l i t y ，n o s c a ri m a g ed i a g n o s e p e ta s am i l e s t o n ei nt h e h i s t o r y o fn u c l e a rm e d i c i n ei s i n d i s p e n s a b l e t ot h e d e v e l o p m e n t o ft h em o d e r nm e d i c i n e o nt h eb a s i so ft h ee x p l a n a t i o na b o u td o m e s t i cp e t , t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h e i l l u s t r a t i o no ft h ef o r m a t i o no fp e tc o n t r o ls y s t e m ，a sp e t i sa t y p i c a l l yc o m p l i c a t e d e l e c t r o n i cm e d i c a li n s t r u m e n ta n di sm a d eo fm u l t i * m o d u l e ，w h i c hm u s tg e ti n v o l v e d i nd a t ac o m m u n i c a t i o ne a c ho 氇o f t h et h e s i s i n u o d u c e st h em u l t i - m o d u t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fp e ti nd e t a i l t h ef i r s t p a r to ft h et h e s i sb f i e f s w h a ti sp e ta n di t s c o m p a r a t i v et e c h n i c a l a d v a n t a g e so v e ro t h e ri m a g ed i a g n o s et e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，t h ea n a l y s i sa b o u tt h e s t a t u sq u oo ft h ed e v e l o p m e n to fp e tb o t hh o m ea n da b r o a dc a na l s ob ef o u n di nt h i s p a r t + t h es e c o n d p a r tp u t se m p h a s i s o nt h eo v e r a l lf o r m a t i o n ，t h eo p e r a t i n g t h e o r ya n d t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l eo fp e t s y s t e ma sw e l la si t sd i s t i n c t i v ef e a t u r e sw h e n c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lp e t t h et h i r dp a r ts e r v e sa st h ee m p h a s i si nt h i sa r t i c l e t h ed a t af l o wo ft h ep 戡 s y s t e m i s a n a l y s i s e d i nt h i s p a r t t h e n ，t h e c o m m u n i c a t i o nd e m a n da n dt h el o g i c m e s s a g e c h a n e lo ft h em u t i m o d u l ec o m m u n i c a t i o na r ea l s oa n a l y s i s e di nt h i sp a r t a t t h e l a s t ，t h e s t r u c t u r eo fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r o l s y s t e m m u f f 。m o d u l e c o m m u n i c a t i o ni se s t a b l i s h e d t h eh a r d w a r e i m p l e m e n to fe l e c t r o m e c h a n i c a t c o n t r o l s y s t e mm u t i m m o d u l e c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e di n t h ef o u r t h p a r t t h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n c o n t r o u e r - - 8 5 c 3 0i si n t r o d u c e df i r s t l y t h ed e s i g no f8 5 c 3 0i n t e r f a c ec i r c u i tc a nb e f o u n di nt h i sp a r t o t h e rc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta l s oi si n t r o d u c e dh e r e t h es o f t w a r e i m p l e m e n to fe l e c t r o m e c h a n i c a l c o n t r o l s y s t e mm u t i m o d u l e l h c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e di nt h ef i f t h p a r t f i r s t l y , t h e c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e d e s i g no fg a n t r yi sl i s th e r e ，i n c l u d i n gt h e8 5 c 3 0a p p l i c a t i o np r o g r a m a n dt h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h e g a n t r y c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m s e c o n d l n t h e g e n e r a l c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m o fo t h e rc o n t r o l l e ri s l i s t ，i n c l u d i n g t h e s e n d i n g p r o g r a m ，r e c e i v i n gp r o g r a ma n du n p a c kp r o g r a m r e l i a b i l i t ym u s t b et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt e r m so fs y s t e md e s i g n a n dt h e s i x t hp a r td i s c u s s e st h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n a sf a ra ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n i sc o n c e r n e d ，t h e r e l i a b i l i t yc a n b eg u a r a n t e e dt h r o u g hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w ec a n i m p r o v et h er e l i a b i l i t yb ya d o p t i n gf l e d g e dr s 4 2 2b u st e c h n o l o g y ，s e l e c t i n gh i g h l y r e l i a b l ei c ，a n ds h i e l d i n gt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l i ng e n e r a l ，s u c hm e a s u r e sa s s h a k i n gh a n db e f o r ec o m m u n i c a t i o n ，a n dr e c t i f y i n ge r r o ra r ea p p l i e di ns o f t w a r e d e s i g n a tt h el a s t p a r to ft h et h e s i sp a p e r , h o wt od e v e l o pt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n d e b u gp r o g r a mi si n t r o d u c e d w ec a nt e s tt h ec o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o lt h e e x e c u t i o n u n i t s a c t i o na n ds i m u l a t eo t h e rs e r i a lp o r t s f u n c t i o nb y u s i n g t h i sp r o g r a m k e y w o r d s ：p e t ， e l e c t r o m e c h a n i c a l m u l t i m o d u l e ( m u l t i m a c h i n e 8 5 c 3 0 ，b u r s t c o r r e c t i n g ， i v c o n t r 0 1 ，s e f i a lc o m m u n i c a t i o n ， ) c o m m u n i c a t i o n ， r s 4 2 2 ， d e l p h i ， m u t i t h r e a d 第一章绪论 核技术应用于医学、为人类健康服务，是和平利用原子能的一个重要方面。 核医学和发射治疗是核技术在医学中应用的两个领域。核医学的一个重要方面 是核医学仪器与方法，正电子发射断层扫描仪( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ， 简称p e t ) 是继x 线断层成象( x - c t ) 和单光子断层成象( s i r i 9 1 ep h o t o ne m i s s i o n c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t 或简称e c t ) 技术之后，将断层技术应用于核医 学领域而发展起来的一种医学成像仪器l lj 。p e t 是当今最高层次的核医学技术， 它也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设备。目前世界上只有少 数几个发达国家能够生产p e t ，我国目前尚无厂家生产，所需的p e t 全部依赖 进口。因此研制国产p e t 就显得非常迫切和必要。 1 1p e t 的特点 p e t 和其它医学影像手段相比具有以下特点： 1 显像符合人体生理状态 p e t 所用的标记核素主要是c 、n 、0 等构成人体元素的同位素，其显像更 接近人体生理状态，因此它能准确反映出体内组织、细胞代谢情况及生理、生 化活动过程。 2 疾病的早期发现和早期诊断 根据p e t 显像的生物学基础，可以得知它是一种代谢显像、生化显像、分 子显像，具有灵敏度高、分辨率好的特点。当疾病早期处于分子水平、生化水 平变化阶段，病变区的形态结构尚未呈现异常，核磁共振( m r i ) 、c t 等检查阴 性时，采用p e t 检查即可发现病灶所在，可获得三维断层影像并能进行定量、 定性分析。这是目前其它影像设备所无法比拟的。 3 全身断层三维显像 除局部显像外，p e t 还可做全身显像，即通过一次检查便可获得全身各个 区域的断层图象。这种检查方式对于恶性肿瘤病人是否有转移或寻找原发隐匿 病灶具有重要意义，是其它影像检查难以做到的。 4 指导治疗、评价疗效 大量的临床应用已经显示，p e t 显像不仅对于心、脑、肿瘤疾病的诊断和 鉴别诊断、判断肿瘤复发、估价远期预后有至关重要的价值，而且对于指导治 疗有极大的帮助，包括选择治疗方案、监测治疗反应、评价治疗效果等。 5 安全性好 p e t 显像所用放射性核素为超短半衰期核素( 2 分钟1 1 0 分钟) ，且示踪 剂量小，经过物理衰减和生物代谢两方面作用，注入人体后很快从受检者体内 排出，因而安全可靠。一次p e t 全身检查的照射剂量远远小于一个部位的常规 c t 检查 3 1 。 1 2 当前国内外研制现状 国外目前生产p e t 的较大的公司有四个。其中s i e m e n s c t ip e ts y s t e m s 和6 em e d i c a ls y s t e m s 两家分别占市场份额的4 5 和4 3 。 在国内，中国科学院高能物理所曾经研制过两台p e t ，现在正在中日友好 医院和阜外医院试用。在北京、上海、广州和淄博等城市，现已有十余台p e t 投入应用，还有更多的医院申请进口p e t 。研制开发高质量国产p e t 的市场前 景是很大的。在国内研制生产p e t 可以避免大量外汇外流，是利国利民的新兴 产业。 从八十年代中期至今，从结构上蜕，p e t 一直是由锗酸铋( b g o ) 闪烁体块 切槽”。( 例如被切成8 8 晶体条) 和四个光电倍增管( p m t ) 读出的“模块式” 的探测器构成占据主导地位。该模块是根据四个p m t 所分得的光量来进行定位 的。此方案的优点是可以得到较高的分辨率，所用的p m t 数较少，因而造价也 较低。它是目前被普遍应用的结构类型。但它也存在一些不足，如由上述的分 光读出的统计涨落所造成的定位分辨误差较大( 大于2 7 m m ) 。此外，由于p e t 的死时间和晶体模块的内表面面积成正比，而“模块式”p e t 的内表面面积都 较大，这就造成了死时间较长，使p e t 系统不能高速率获取数据，这也对图像 重建的精度有一定影响。 在深入地研究分析了国内外现在研制和生产p e t 的形势、元器件的性能、 供应和价格后，以及我们现有的技术积累等诸多方面因素，我们还是决定采用 较为成熟的“模块式”方案。 1 3 本论文研究的内容和工作 p e t 是当今最高层次的核医学技术，该装置技术难度高，它涉及核技术、 计算机技术、快电子学技术、探测器技术、机电控制技术、机械加工技术等诸 多高新技术为一体，需多学科多单位的协调合作。本人主要参加了p e t 项目机 电控制系统的研制工作，p e t 系统的机电控制部分不直接参与投影数据的探测、 预处理、符合、采集和成像等整个流程，但同样存p e t 系统中起着举足轻重的 作用。作为系统底层硬件与上层服务器之间通信以及底层硬件之间通信的交通 枢纽，它负责接收来自上层服务器的命令，传给底层执行部件，命令这些部件 做相应的动作，然后再将底层执行部件的完成情况和当前状态实时的反馈回服 务器，作相应处理；同时它还提供前端电子学模块的系统时钟和同步时钟基准； 监控仪器工作的环境温度，电源的工作状态和系统出现异常情况后作出的处理。 可以说，机电控制部分几乎完成除机械设计和整个成像数据生成外的所有底层 执行部件控制以及状态显示，各种模拟量，数字量的采集与控制工作，为系统 成像做好各种准备工作。p e t 设计的主要思想是模块化的思想，也就是说把整 个系统分成各个子系统，各个子系统可以独立研制开发，开发过程遵循事先定 义好的接口，如数据采集组和软件开发组之间的图像数据格式标准；前端电子 学和数据采集组之间的数据采集格式；探测器组和前端电子学组之间的电平定 义标准；机电组和数据采集组之间的串行通信协议；机电组内部各个执行部件 控制器之间的通信协议等等。所有这些接口都需要事先进行充分的分析设计， 本论文主要就涉及机电组方面的通信协议的制定，多机通信系统的建立，通信 的可靠性设计、以及串行通信测试软件的设计等进行了研究。目前机电控制方 面的工作已经完成，机电系统已经开始在p e t 样机中运行，运行状况稳定可靠， 运行结果显示达到了事先设计的要求，满足了p e t 所需要的各种功能。 第二章p e t 系统简介 p e t ( p o s i t r o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 正电子发射计算机断层 显像之简称，是正电子成像中最先进、最完善的仪器。它图像质量好、灵敏度 高、分辨病变小、适用面广，可做身体各部位的检查，最大优点是可以获得全 身各方位的断层像，对肿瘤转移、复发的诊断尤为有利。p e t 由扫描仪主机箱 ( g a n t r y ) 、检查床( p a t i e n tb e d ) 、主控计算( o w s ) 机及其它辅助部分组成。 主机箱部分是机器的核心，也是耗资最多、影响机器性能最大的部件。主机箱 由晶体、光电倍增管、前端电子学线路及射线屏蔽装置组成。单个晶体与光电 倍增管构成分离探测器，它是p e t 中湮没光子符合探测”1 的基本单元，它决 定了p e t 的分辨能力和灵敏度印。许多分离探测器排列在3 6 0 。圆周上形成环 状结构，p e t 的分代、纵向视野及性能等多种因素取决于环的多少。第一代p e t 为单环，第二代为双环和多环，第三代为多环模块结构，第四代为多环、模块、 三维结构。 2 1p e t 系统概述 从整体结构上讲，p e t 系统主要是由扫描仪主机箱( g a n t r y ) ，检查床 ( p a t i e n tb e d ) ，水冷系统( w a t e rc h i l l e r ) 和主控制台计算机系统( o w s ) 四大 部分组成( 如图2 1 所示) 。 图2 1 p e t 系统的整体结构 4 其中主机箱是p e t 系统探测、采集成像数据的硬件部分，主要包括机箱外 罩、环形探测器、准直器( s e p t a ) 、棒源( r o d ) 、水冷循环管道、屏蔽环、激 光定位系统、液晶显示面板、数据采集计算机( a c s ) 、主机箱内部支撑体和安 装定位板等结构组件。 检查床是用于将病人送入扫描孔内进行扫描的运动部件，主要做水平和垂 直方向的运动。 p e t 的水冷循环系统是由放在另外一间房子的水冷循环机和通过管道接入 主机箱内的散热风扇、散热片和监测水温的温度变送系统组成。p e t 系统般 要求机箱内的工作温度保持在1 6 2 2 。c 。系统内的环境温度可通过主控制台 的服务器实时监控。 主控机控制所有的硬件设备，采集和组织数据，执行各种误差校正，重建 断层图像，对图像进行处理和分析，显示图像和有关信息。 p e t 的计算机系统包括：负责数据采集和处理的符合机箱、控制台计算机 ( t h eo p e r a t o r sw o r k s t a t i o n ，o w s ) 、供医生进行图像分析的辅诊台计算机 ( t h ei m a g ea n a l y s i sw o r k s t a t i o n ，a w s ) 、管理和维护信息的数据库服务器、 控制回旋加速器、药物标记设备和放射剂量监控仪器的计算机等。p e t 系统大 多采用分布式信息处理，上述计算机连接在一起，组成局域网络。通过网络服 务器，p e t 系统可接入医院的图像存档和传输系统( p i c t u r ea r c h i v i n ga n d c o m u n i a t i o n ss y s t e m ，p a c s ) ，通过i n t e r n e t 的w w w ，p e t 系统可以实现远 程的图像传输、病人数据库的查询、病历查阅，即实现远程会诊。 2 2p e t 系统工作原理及各模块的功能 2 2 1 p e t 系统的工作原理和工作过程 整个系统的工作原理和过程如图2 2 和图2 3 所示，注入人体的正电子放 射性核素发生b 衰变产生正电子，正电子与人体组织中的电子发生湮灭，产生 两个具有5 1 1 k e y 但向相反方向飞出的一对y 光子，p e t 利用其封闭环绕型探测 器阵列对这些背对背的单个光子进行符合探测。符合测量形成的投影线，利用 计算机处理这些投影数据可求解出待测放射性分布，即图像重建l + j 。将重建出 的诸断层组合在一起就得到了三维图像。随着计算机技术及算法的发展，三维 p e t 技术也获得了很大的发展，它能更有效地利用符合计数所采集到的数同巨 多的投影数据，可数倍地提高探测灵敏度。 图2 2p e t 系统的工作原理示意图 正电子潦灭井产生。揍蜓式。探蓖嚣髌擒 y 光予对原理 图2 3 正电子湮灭并产生y 光子对原理以及探测器的结构示意图 2 2 2p e t 系统各个模块的功能 从系统功能上讲，实现本系统丁f 常工作的功能模块是由探测器环模块、前 端电子学模块( b u c k e t ) 、符合处理模块、数据采集系统、机电控制系统、校正 系统和相应的图像重建和图像处理软件系统等构成。如图2 4 所示： 图2 4p e t 系统模块的构成 其中探测器模块是由闪烁体( b g o 细条或其他晶体) 、光电器件( p m t 等) 所组成，它的功能是探测正电子湮灭时所转换成的一对y 光子所分别命中的环 上晶体条的位置，并把这些位置信号转换成电信号，连同y 光子的能量信息和 到达时刻的时间信息一起送到后续的前端电子线路系统中去；前端电子线路是 由放大器、线性相加、f a d c 、位置表和能量表等组成；由前端电路输出的定位 数据、定时数据和“事例”有效性数据一起送入后面的符合处理电路；符合处 理电路的功能是确定符合，即判断一对v 光子是否是由一次湮灭事例所发出的， 也即去除掉偶然符合事例，选出真实的符合事例；此后把选出的真实符合事例 所命中的两个探测器点的坐标经数据采集模块传到主控制台的计算机系统。计 算机和工作站及相应的各个软件包完成数据采集、校正、系统监控、图像重建 和图像处理，并结合医用计算机实现临床上的各种操作和诊断要求。 2 2 3 与传统p e t 系统的比较 与国外研制的传统p e t 相比，本系统在结构、技术上都做了较大改进，概 括如下几点： 前端探测器选用b g o p m t 阵列式结构，p m t 为圆形光电倍增管，降低了设备 拜譬裁奉。 符合技术采用f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 。1 实现，与传统所用的a s i c ( 超 大舰模集成电路) 相比，不仅具有功耗小，组合逻辑能力强，速度快等优 点，还节省了大量布叛空溺； 数据采集系统也由原来的v m e 总线标准改为p c i 总线1 0 1 ，这样大大节省了 成本，而且做成p c i 接口的数据采懿卡放在独立的c p c i 主桃箱内，维修方 便且缎短了原来用于传输数据的光纤长度； 产生前端电子学系统时钟基准的时钟扇出电路也采用了先进的f p g a 和l v d s ( 低压差分信号) 1 1 1 技术，在功栽，麓占空阕，餐输速褒辜嚣抗干虢等方霞 都比传统时钟电路商较大改进； 本系统的运渤部件( 检查床，棒源和准直器) 采用高精度的交流伺服电机系 统控制，比传统p e t 所用驱动卡调试，安装方便，两且显示翱报警系统比 原来更完善。 软传设计上，涂了p e t 系统一般纛具有兹软 牛功缱之井，还增热了基予 d l c c o m 3 标准的p a c s 系统。在图像道建算法中加入了高分辨低噪声的代数 迭钱快速算法，帮诲多鑫烹开发豹应耀分聿螽较释，鳐可尾予蒡孛癌旱鬻诊鞭 的赢接解调重建方法以及适应于中国人使用的心肌代谢靶心图定量分析软 孛等。焉户赛瑟友静，全中文显示，这遘一步增鸯b 了操作的简易後。 8 第三章p e t 系统模块闻的多褫通信 从前面对p e t 系统的介绍可知，p e t 麓一个典登的模块化大型电子医疗仪 器，它由探测器模块环、b u c k e t 缀、数据采集诗算橇、梳毫茬篱l 系缓、主控诗 算橇祭戒。每令模块可以善虫立工俸，健是要实觋p e t 整极的扫援工作，各个郝 分还必须楣夏协调，在主控扭的绶一安排下有步骡、有秩序的工作来实现整枫 的功能，信息的传递无疑起黄关键的作用。本章分析了p e t 整个系统的数据流， 同时也分析了各个模块之间的通信需求，最后确定了多机通信白勺系统模型。 3 1p e t 系统的数据流描述 在前面章节中我们已经对p e t 的工彳乍原琏及工作过程做 一个简单的介 绍，但建，为了凳清楚的了解p e t 是如何获取数据的，我们青必要对整个系统 静数据流进行一个攉述，这样，我稍可敬清楚翁看到p e t 内部数据、信惑、以 及控制命令懿滚动交换情撬。 首先，幽主控极发堪采集准冬命令绘数握采集计簿机( 以后麓穆为数采机) ， 数溪机对收到的采集协议进行分析，然后发出各种控制命令给g a n t r y 控制板， g a n t r y 控制板控制机e 融系统的运动部件进行相应的动作。当采集准备完成后， 数采机发出开始采集命令给前端b u c k e t 板。前端电子学3 2 块b u c k e t 板对探测 器部分光电倍增管输出的信号进行放大、线性相加、门控积分快速模数转换、 在能量液及位表中查出位置数据，同时对输入信号进行快速相加和放大，进行 恒眈定时( c f d ) 和时闯数字转换，最后输融代表探测事例的定位数据、定时数 据良及“事镶”裔效健数攥，这个数据传输是逶过3 2 校8 芯的网线进行漪。在 采集过程中，如聚进行的是t 稻的话“，还需要棒源控箭板把棒源酌实时 位置信怠传输给数采枫。其次，数据采集计算梳得到前端b u c k e t 健过来盼数瑟 后避行符合斑理。蜀断有效往焉传输给主控辊，这个数据传输是透过光纾送行 静。最詹，圭控枫将撵到懿数据送行强像燕建淤及处理，显示出可供蓬生诊羧 的图像。整个采集熬数骣滚可以参见下图： 9 图3 1p e t 系统的数据流简图 在上图中，主控机和数采机之间的连接为光纤连接，最大传输速度为8 0 0 m b y t e s ，传输的数据包括控制命令、采集数据。数采机和b u c k e t 板之间的连接 为8 芯的网线，传输的数据为事例数据。数采机和g a n t r y 控制板之问的连接采 用串行通信，电平标准为r s 2 3 2 电平，传输的数据为控制命令。g a n t r y 控制板 和剩余其它各板之间的连接均为串行连接，电平标准为r s 4 2 2 电平。本论文设 计了除上图中主控机和数采机以及数采机和b u c k e t 之间通信以外的所有通信 任务。下面的章节就通信接口的硬件和软件设计进行说明。 l o 3 2 多机通信系统结构的确立 多机系统与网络通信是单片机应用于大型现代工程系统如监测系统、综合 实验系统、机器人等的主要应用形式。由于单片机价格低廉、系统构成灵活、 规范，抗干扰能力强，因此，在面向测、控对象的功能单元中采用单片机系统 已经是典型的应用方式。随着单片机价格的下降，外围电路的简化，在一般规 模的智能仪表、测试系统、控制系统中采用多机系统也逐步变为可能“。 一般来说，网络与多机系统并无严格的定义，多机系统多着眼于单片机的 数量，而很少考虑其拓扑结构。在地理位置上属于本地或者近程结构，多个单 片机放置在一个机箱内，或者应用于大型设备( 如数控机床、生产线、机车、 大型电子医疗仪器等) 。单片机之间的数据传送一般采取串行方式，如r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 接口等1 1 4 。网络则是着眼于单片机的地理分布，各个单片机应用系统 散布在一定的地理位置，独立地执行一个完整的任务( 如仓库监测、气象水文 测报、无人值守站等) ，各应用系统问的数据传送大多采用标准串行接口如 r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 等，距离更远的可以采用m o d e m 利用电话线进行数据传输。目 前网络结构常采用树状或者总线分布式结构。 从前面对p e t 系统的介绍可知，p e t 是一个典型的模块化大型电子医疗仪 器，它由探测器模块环、b u c k e t 板、数据采集、符合机箱、机电控制、主控计 算机组成。每个模块可以独立工作，但是要实现p e t 整机的扫描工作，各个部 分还必须相互协调，在主控机的统一安排下有步骤、有秩序的工作来实现整机 的功能，信息的传递无疑起着关键的作用，例如：主控机发出检查床伸出的命 令就要经过“主控机一一 数据采集机箱一一 g a n h w 控制器一一 检查床” 这些步骤，而在每一个步骤中又有条件判断、智能控制。在进行具体的硬件没 计之前，我们首先分析一下系统通信的需求，然后画出系统各模块之间的所要 求的逻辑信道，最后就可确立多机通信系统的模型了。 3 2 1 系统的通信需求 从上面章节中的系统工作原理和数据流描述中可以看出各模块之间需要的 通信需求，下面分析具体的通信需求，这样可以更好的进行通信统筹安排。 液晶按键面板的通信 表3 1 液晶按键面板的通信需求 通信对象内容通信频繁度可靠性要求 g a n t r y激光灯的控制不频繁 初始化信息的不频繁 显示一般 板子的工作状不频繁 态 b e d 运动参数的设不频繁 置 连续运动不频繁较高 单步运动不频繁 位置的显示频繁 r o d运动 不频繁一般 状态显示不频繁 s e p t a 运动不频繁一般 状态显示不频繁 注：表中通信频繁度栏中频繁不频繁均是一种相对的说法。同样，可靠性 要求也是一种相对的说法，并没有量的标准，下同。 b e d 控制板的通信 表3 2 检查床控制板的通信需求 通信对象内容通信频繁度可靠性要求 g a n t r y 初始化信息不频繁一般 的完成情况 板子的工作不频繁 状态 液晶面板见上表 1 2 板子的工作不频繁 状态 运动参数的不频繁 数采系统a c s设置 连续运动频繁 单步运动不频繁 位置信息频繁 r o d 控制板的通信 表3 3 棒源控制板的通信需求 通信对象内容通信频繁度 可靠性要求 g a n t r y 初始化信息不频繁一般 的完成情况 板子的工作不频繁 状态 液晶面板见上表 数采系统a c s板子的工作不频繁一般 状态 运动参数的不频繁 设置 运动信息不频繁 实时位置信频繁较高 息 s e p t a 控制板的通信 表3 4 准直器控制板的通信需求 通信对象内容通信频繁度可靠性要求 g a n t r y 初始化信息不频繁一般 的完成情况 板子的工作不频繁 状态 液晶面板见上表 数采系统a c s板子的工作不频繁一般 状态 运动参数的不频繁 设置 运动信息不频繁 高压( h v ) 控制板的通信 表3 5 高压控制板的通信需求 通信对象内容通信频繁度 可靠性要求 g a n t r y 高压的控制不频繁一一般 高压的采样 b u c k e t 板的通信 表3 6b u c k e t 板的通信需求 通信对象内容通信频繁度 可靠性要求 g a n t r y 板子的工作状不频繁一般 态 a c s 板子的工作状频繁一般 态 a c s 采集板的通信 表3 7 数采机的通信需求 通信对象内容通信频繁度 可靠性要求 g a n t r y 板子的工作状不频繁一般 态 环境参数的查 1 4 询设置 b e d见上表 r o d见上表 s e p t a 见上表 3 2 2 系统通信的逻辑通道 通过分析系统的模块通信需求，我们可以画出系统通信的逻辑通道示意图 如图3 2 所示： 图3 2 系统通信的逻辑通道示意图 3 2 3 系统多机通信的拓扑结构 目前，最常使用的多机通信网络形式有以下4 种：星形网络结构、串行总 线形网络结构、环形网络结构、树形结构 1 6 1 , 如图3 3 所示： 杖幂久入 总线彤 同= 彤星彤柑彤 图3 3 多机通信网络拓扑结构 l 述几种通信网络形式各有优缺点，其性能比较见表3 7 ： 表3 7 各种通信网络形式的比较 指标 类型、可靠性接口复杂性组成灵活性通信效率价格控制 星形差简单好 自r 月局较复杂 总线形较好简单很好中等较低简单 环形中等较简单较好中等较低简单 树形好复杂差最高很高很复杂 根据上面的分析和实际系统的需要，我们采取了星形一总线形混合结构，如图 3 4 所示： d v c x e t l5b v c x e t l 4b v c x e t 0b u c x e t i 5 五u c 置e t 3 01 5 v c x e t 3 l 图3 4p e t 系统的通信模块结构框图 从上面p e t 系统的模块结构框图可以看出本系统的网络拓扑结构属于星形 一总线形混合结构1 。g a n t r y 控制器做为星形结构的中心，起到信息交通和 信息转发的作用。运动系统和g a n t r y 则是主从式的总线结构。g a n t r y 和3 2 块 b u c k e t 板的通信也属于主从式的总线结构。 第四章机电系统多机通信的硬件实现 在确立了以g a i l t r y 控制板为中心的通信模型后，我们就可以进行具体的通 信系统的设计了，硬件的没计包括下面两个方面：1 、g a n t r y 控制板通信部分的 设计2 、其余各控制板通信接口的设计。 4 1 g a n t r y 控制板串口的扩充 从前面的分析可以看出，处于系统中心位置的g a n t r y 板要和运动板、a c s 、 液晶面板、b u c k e t 板、侧面板等多处进行通信。而以8 0 c 1 9 6 单片机构建的g a n t r y 控制系统本身却只有一个全双工串口，因此我们必须进行系统串口的扩充。 8 5 0 3 0 是美国a m d 公司生产的高性能双通道串并转换通信控制器，支持多种 通信协议。可用于各种多串口通信应用领域，在g a n t r y 控制板上面我们使用了 两片8 5 0 3 0 扩充了4 个串口，分别是a 口、b 口、c 口和d 口。 41 1 串行通信控制器8 5 0 3 0 1 8 1 8 5 0 3 0 是a m d 公司生产的双通道、全双工、支持多种通信协议的通信控 制芯片，利用自身的串并、并串转换功能，可广泛应用于和微控制器组成的多 串口串行通信应用中。其内部集成了波特率生成器、数字锁相环和晶体振荡器 等可编程器件，大大减少了外围电路的需要，提高了系统的可靠性，使之更适 应于高速通信应用中。 8 5 0 3 0 的主要特性如下： 具有两个可全双工工作的通信通道 可异步、同步串行通讯 符合面向字符的同步协议，如i b mb i s y n c ( 二进制同步通信协议) 符合面向比特的同步协议，如h d l c ( 同步数据链路控制协议) 和s d l c ( 高 级数据链路控制协议) 最高数据传输率：4 mb i g s ( 同步模式) 内含波特率生成器、数字锁相环和晶体振荡器 具有奇偶校验、字符插入或删除、c r c ( 循环冗余码) 生成和校验等多种自 动纠错功能 412 内部结构 图4 1 为8 5 c 3 0 的内部结构框图。8 5 c 3 0 能用于各种微控制器系统中，可采 用查询、中断和d m a 工作方式。 数 控 c p u 据1 o 中h 控* 线 内部逻 辑控制 通道a 寄存器 内部总线 外部中 断控制 通道b 寄存器 a 通道发送 接收 逻辑 控制 b 通道发送 接收 逻辑 控制 图4 18 5 c 3 0 的内部结构 4 1 3 引脚功能 8 5 c 3 0 具有4 0 一p d i p 和4 4 p l c c 两种封装形式，图4 2 为其4 4 一p l c c 封装 形式的引脚排列图。8 5 c 3 0 的主要引脚功能如下： ll|罴翌l|l兰器雾 团习 团圈 匡占酽占占善占占占旧喾 图4 28 5 c 3 0 的封装形式 d o d 7数据线引脚 r d 、w r读、写控制端：另外，若两个引脚同时为低，可使芯片复位 b通道通道b 选择 d c数据命令选择 c e片选信号 + 5 v 、g n d电源接入端 p c l k系统时钟输入端 i n t中断请求 i n t a c k中断响应 i e i 、i e o中断使能输入、中断使能输出 r x d a 、t x d a通道a 的串行输入、输出端 r x d b 、t x d b通道b 的串行输入、输出端 t r x c a 、r t x c a通道a 的时钟控制端 t r x c b 、r t x c b通道b 的时钟控制端 s y n c a 、w r e q a 、d r t r e q a 、r t s a 、c t s a 、d c d a通道a 的同步 通讯控制端 s y n c b 、w 瓜e o b 、d r t r e q b 、r t s b 、c t s b 、d c d b通道b 的同步 通讯控制端 1 9 墨恶：需= 41 48 5 c 3 0 的哥存器 在数据通信过程中，系统是否能准确地按照规定的协议完成通信任务，主要 取决于初始化时及系统运行期间，程序对8 5 c 3 0 的读写寄存器的合理运用。对 片上每个通道的设置都包括1 6 个写寄存器和1 1 个读寄存器。其中有1 0 个写寄 存器用于通用控制，两个用于同步字符的生成控制，两个用于片上波特率设置， 还有两个双通道共享的写寄存器，一个用于中断向量控制，一个用于芯片总中 断开关控制。9 个读寄存器用于存储通信状态和数据。 4 1 5 接口电路设计 8 5 c