文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.017
中文引用格式： 李葉丹，張建勛，代煜，等. 腹腔鏡持鏡臂運動控制器的硬件設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2017，43(4)：65-68.
英文引用格式： Li Yedan，Zhang Jianxun，Dai Yu，et al. Hardware design and realization of the motion controller of clamping endoscopic mechanical arm[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：65-68.
0 引言
腹腔鏡微創(chuàng)外科技術興起于20世紀80年代。有別于開放式的外科手術方式，利用腹腔鏡微創(chuàng)手術機器人進行手術時，只需在患者身體上做一個很小的切口，用來導入腹腔鏡，醫(yī)生通過控制持鏡臂的精確運動得到病灶處的視覺信息，從而和其他的手術器械相互協(xié)調，共同來完成手術[1]?？梢姡?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/運動控制器" title="運動控制器" target="_blank">運動控制器是整個腹腔鏡機器人系統(tǒng)的核心組成部分[2]。
根據(jù)腹腔鏡微創(chuàng)手術和實驗樣機的實際需求，本文采用DSP+CPLD的運動控制架構。該控制器充分發(fā)揮了DSP強大的控制和信號處理能力，以及CPLD的模塊化編程、高速并行處理能力，縮短了開發(fā)的周期，同時能夠滿足持鏡臂系統(tǒng)所需的實時性、穩(wěn)定性以及高精度的要求。
本文所述自主研發(fā)的三自由度腹腔鏡持鏡臂樣機由兩個轉動關節(jié)和一個滑動關節(jié)組成。
1 控制器硬件的整體架構設計
如圖1所示，本文設計的控制器采用DSP+CPLD的主控架構。DSP主要用于完成持鏡臂的運動學計算和實時控制。同時，可通過串口與上位機進行通信，以獲得相關控制參數(shù)。DSP通過外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF），采用異步總線方式，實現(xiàn)與CPLD的通信。由于CPLD有著強大的并行處理能力和應用的靈活性，因此，用CPLD實現(xiàn)與外圍設備的接口，如3個關節(jié)電機驅動電路、碼盤信號采集電路、限位開關電路、抱閘使能電路以及光電隔離電路。在本文的架構中，主控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335和Altera公司的CPLD芯片EPM3256ATC144。
2 控制器各模塊設計
2.1 DSP模塊
由于持鏡臂運動學以及相關控制算法的計算量較大，因此控制器選用了TI公司的32位高速浮點型C2000系列處理器TMS320F28335。該處理器集微控制器和高性能DSP的特點于一身，并且增加了浮點運算內核，能夠實現(xiàn)復雜的控制算法。在處理速度和處理精度方面，有著更高的性價比，同時為實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性提供了可能[3]。
DSP模塊主要包括：晶振時鐘電路、電源電路、復位及看門狗電路、仿真調試電路JTAG接口以及外部存儲器擴展電路。
時鐘信號采用了30 MHz有源晶振。DSP的主要功能之一是與上位機進行通信，在本控制器中，采用了簡單的串口通信方式[4]?？紤]到DSP芯片本身內存較小，且為了后續(xù)的功能擴展預留空間，因此需要在DSP外擴展存儲器。利用DSP的外部存儲器接口(EMIF)支持，選擇了接口簡單的Flash以及高性能低功耗的SRAM。
最后，在DSP訪問不同外部存儲器時，需要經(jīng)過片選選擇相應存儲器。這里選用一款型號為EPM3032的CPLD作為DSP對Flash、SRAM及EPM3256的邏輯片選。將外部Flash作為存儲器映射到DSP中0x180000-0x18ffff的物理地址上，將外部SRAM映射到DSP中0x100000-0x10ffff的物理地址上。
2.2 DSP與CPLD的異步總線通信設計
外部存儲器接口(EMIF)是TMS系列DSP對外部存儲器進行訪問的一種總線接口。DSP可通過EMIF實現(xiàn)與不同類型存儲器(SRAM、Flash、RAM）的連接，并且能夠設定多種接口時序[5]。在本設計中，TMS320F28335的EMIF與CPLD的連接采用了異步設備接口時序。將DSP的數(shù)據(jù)總線與CPLD的數(shù)據(jù)總線相連，DSP地址總線與CPLD的地址總線相連；通過設置DSP上地址線Add19和片選xcs7的邏輯關系來作為CPLD的片選信號，從而使CPLD的物理地址映射到DSP的0x280000-0x2800ffff的外部存儲器物理地址上，實現(xiàn)二者的通信。
2.3 CPLD內部邏輯功能設計
根據(jù)控制器的設計需求，CPLD要完成4個模塊的邏輯：
(1)地址譯碼模塊：通過地址譯碼實現(xiàn)CPLD內部功能模塊的選擇。
(2)電機控制模塊：根據(jù)DSP的控制命令，產生控制H橋的極性相反的三路PWM（脈沖寬度調制）波，并對三路PWM波做導通延遲（死區(qū)保護），以防止電機驅動器H橋短路。
(3)使能與限位保護模塊：當持鏡臂運動到極限位置時，關閉電機使能，開啟抱閘，保證持鏡臂在安全范圍內運動。
(4)碼盤信號采集模塊：采集電機碼盤的方波信號，并轉換為可以傳輸給DSP的數(shù)字信號。
圖2所示為CPLD內部邏輯模塊的功能框圖，且全部采用Verilog HDL語言設計。在本設計中采用CPLD設計可以減少外圍一些邏輯器件的使用數(shù)量，節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)成本；集成化的設計更提高了系統(tǒng)的可靠性，并且在設計過程中，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求不斷對邏輯功能模塊進行修改完善，而不需要對其他電路進行改動，大大提高了設計的靈活性，降低了開發(fā)周期。
2.3.1 電機控制信號產生模塊設計
本設計采用PWM方式來驅動直流電機，它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于電機控制領域[6]。
直流電機控制信號產生模塊分為PWMGenerator模塊和DeathTime模塊兩部分。其中，PWMGenerator模塊是根據(jù)DSP發(fā)出的脈沖寬度的占空比和周期，產生兩路極性相反的PWM波形。DeathTime模塊即波形處理模塊，是在兩路極性相反的PWM信號由低到高時（即上升沿），延遲上升沿時間，從而避免了后面信號傳輸電路H橋兩個MOS管同時導通而引起的短路,達到了保護電路的目的。為減少死區(qū)時間過大對實際控制電機的有效電壓的影響，根據(jù)H橋電路設計中的數(shù)據(jù)，這里選擇160 ns的上升沿延遲時間。
2.3.2 碼盤信號采集模塊設計
本實驗平臺采用了增量式光電碼盤作為持鏡臂的定位裝置。增量式光電編碼器與關節(jié)電機同軸連接，當電機轉動，光電編碼器就會輸出3路脈沖信號：A、B、Z。其中脈沖Z用于光電編碼器的調零或者同步功能，不需要作額外的處理。光電編碼器轉動方向不同時，脈沖信號A、B輸出的波形也會不同。光電編碼器正轉時，A信號超前于B信號90°，反之，光電編碼器反轉，A信號滯后于B信號90°[7]。將光電編碼器的信號電平變化時序用有限狀態(tài)機描述，可以得到一個具有9個狀態(tài)的狀態(tài)轉換圖，即為有限狀態(tài)機。
根據(jù)光電編碼器的輸出信號狀態(tài)機，在CPLD中采用Verilog HDL語言設計了光電編碼器信號采集模塊。碼盤模塊實時檢測光電編碼器的A、B相的輸入。電機正轉時碼盤值不斷累加，反轉時碼盤值累減，DSP通過地址譯碼可以讀取到CPLD內部存儲碼盤值寄存器，從而得到相應的光電編碼器的計數(shù)值。對碼盤采集模塊單獨仿真，得到的邏輯仿真結果如圖3所示。count_data是CPLD內部存儲碼盤值的變量，給定A相(pule_a)、B相(pule_b)相應的波形，碼盤計數(shù)值在逐漸增大，可知仿真結果是符合設計時序要求的。
2.4 信號傳輸電路設計
硬件電路設計中，信號的穩(wěn)定性和抗電磁干擾性設計要求始終貫穿著整個設計過程。特別涉及到高頻和模擬信號時，在信號傳輸方面更應該特別注意。在本文運動控制器硬件設計中，對信號傳輸穩(wěn)定性考慮主要有以下幾個方面：
(1)CPLD向電機驅動電路傳輸PWM波過程中間添加了Buffer電平轉換芯片，增加驅動能力，提高了電壓轉換的效率。
(2)光電耦合電路隔絕了數(shù)字電路和模擬電路，讓信號的傳輸具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，杜絕了電機轉動時產生的噪聲經(jīng)過信號傳輸電路干擾數(shù)字電路。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。
(3)傳輸信號過程中非門的作用：實現(xiàn)邏輯轉換，消除電機和MOS管傳來的噪聲，提高了信號傳輸?shù)尿寗幽芰Α?/p>
3 各關節(jié)軌跡跟蹤實驗
運動控制器測試程序流程圖如圖4所示。
設定第一關節(jié)的初始角度為90°，第二關節(jié)的初始角度為45°，第三關節(jié)的初始長度為10 cm，實現(xiàn)腹腔鏡持鏡臂末端沿病灶上面水平面直線以2 cm/s的速度進行掃描。將實際各關節(jié)運動軌跡與理想軌跡進行對比，可得圖5所示實驗效果圖。
由實驗結果可知，各關節(jié)軌跡跟蹤效果比較理想，實際位置與理想位置偏差較小。由此，本文設計的運動控制器各功能模塊工作正常，且能夠滿足腹腔鏡持鏡臂實時控制的需求。
4 結語
本文針對腹腔鏡微創(chuàng)手術的實際需求，在自主研發(fā)的腹腔鏡持鏡臂基礎上，針對操作手臂控制方式，設計和實現(xiàn)了基于DSP加CPLD平臺的硬件系統(tǒng)。著重介紹了系統(tǒng)的整體架構，以及DSP模塊和CPLD內部各模塊的設計。采用模塊化的設計，方便系統(tǒng)的調試和升級，同時對控制系統(tǒng)的可靠性也進行了充分的考慮。經(jīng)實驗證明，本系統(tǒng)可滿足運動控制器實時性與穩(wěn)定性的要求。
參考文獻
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作者信息:
李葉丹1，2，張建勛1，2，代 煜1，2，曹 剛1，2，尚 翰1，2，張 繞1，2
（1.南開大學 計算機與控制工程學院，天津300350；2.天津市智能機器人技術重點實驗室，天津300350）