0 引言

    腹腔鏡微創(chuàng)外科技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代。有別于開(kāi)放式的外科手術(shù)方式，利用腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)時(shí)，只需在患者身體上做一個(gè)很小的切口，用來(lái)導(dǎo)入腹腔鏡，醫(yī)生通過(guò)控制持鏡臂的精確運(yùn)動(dòng)得到病灶處的視覺(jué)信息，從而和其他的手術(shù)器械相互協(xié)調(diào)，共同來(lái)完成手術(shù)^[1]?？梢?jiàn)，運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)腹腔鏡機(jī)器人系統(tǒng)的核心組成部分^[2]。

    根據(jù)腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際需求，本文采用DSP+CPLD的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)。該控制器充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大的控制和信號(hào)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(kāi)發(fā)的周期，同時(shí)能夠滿足持鏡臂系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)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(jī)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)組成。

1 控制器硬件的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

    如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的控制器采用DSP+CPLD的主控架構(gòu)。DSP主要用于完成持鏡臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，可通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，以獲得相關(guān)控制參數(shù)。DSP通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（External Memory Interface，EMIF），采用異步總線方式，實(shí)現(xiàn)與CPLD的通信。由于CPLD有著強(qiáng)大的并行處理能力和應(yīng)用的靈活性，因此，用CPLD實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的接口，如3個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、碼盤信號(hào)采集電路、限位開(kāi)關(guān)電路、抱閘使能電路以及光電隔離電路。在本文的架構(gòu)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(shè)計(jì)

2.1 DSP模塊

    由于持鏡臂運(yùn)動(dòng)學(xué)以及相關(guān)控制算法的計(jì)算量較大，因此控制器選用了TI公司的32位高速浮點(diǎn)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(diǎn)于一身，并且增加了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)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(jià)比，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性提供了可能^[3]。

    DSP模塊主要包括：晶振時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位及看門狗電路、仿真調(diào)試電路JTAG接口以及外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。

    時(shí)鐘信號(hào)采用了30 MHz有源晶振。DSP的主要功能之一是與上位機(jī)進(jìn)行通信，在本控制器中，采用了簡(jiǎn)單的串口通信方式^[4]。考慮到DSP芯片本身內(nèi)存較小，且為了后續(xù)的功能擴(kuò)展預(yù)留空間，因此需要在DSP外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。利用DSP的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)支持，選擇了接口簡(jiǎn)單的Flash以及高性能低功耗的SRAM。

    最后，在DSP訪問(wèn)不同外部存儲(chǔ)器時(shí)，需要經(jīng)過(guò)片選選擇相應(yīng)存儲(chǔ)器。這里選用一款型號(hào)為EPM3032的CPLD作為DSP對(duì)Flash、SRAM及EPM3256的邏輯片選。將外部Flash作為存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

    外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)是TMS系列DSP對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)的一種總線接口。DSP可通過(guò)EMIF實(shí)現(xiàn)與不同類型存儲(chǔ)器(SRAM、Flash、RAM）的連接，并且能夠設(shè)定多種接口時(shí)序^[5]。在本設(shè)計(jì)中，TMS320F28335的EMIF與CPLD的連接采用了異步設(shè)備接口時(shí)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(guò)設(shè)置DSP上地址線Add19和片選xcs7的邏輯關(guān)系來(lái)作為CPLD的片選信號(hào)，從而使CPLD的物理地址映射到DSP的0x280000-0x2800ffff的外部存儲(chǔ)器物理地址上，實(shí)現(xiàn)二者的通信。

2.3 CPLD內(nèi)部邏輯功能設(shè)計(jì)

    根據(jù)控制器的設(shè)計(jì)需求，CPLD要完成4個(gè)模塊的邏輯：

    (1)地址譯碼模塊：通過(guò)地址譯碼實(shí)現(xiàn)CPLD內(nèi)部功能模塊的選擇。

    (2)電機(jī)控制模塊：根據(jù)DSP的控制命令，產(chǎn)生控制H橋的極性相反的三路PWM（脈沖寬度調(diào)制）波，并對(duì)三路PWM波做導(dǎo)通延遲（死區(qū)保護(hù)），以防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)器H橋短路。

    (3)使能與限位保護(hù)模塊：當(dāng)持鏡臂運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，關(guān)閉電機(jī)使能，開(kāi)啟抱閘，保證持鏡臂在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

    (4)碼盤信號(hào)采集模塊：采集電機(jī)碼盤的方波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為可以傳輸給DSP的數(shù)字信號(hào)。

    圖2所示為CPLD內(nèi)部邏輯模塊的功能框圖，且全部采用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中采用CPLD設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)成本；集成化的設(shè)計(jì)更提高了系統(tǒng)的可靠性，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求不斷對(duì)邏輯功能模塊進(jìn)行修改完善，而不需要對(duì)其他電路進(jìn)行改動(dòng)，大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性，降低了開(kāi)發(fā)周期。

2.3.1 電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用PWM方式來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域^[6]。

    直流電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)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(chǎn)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(hào)由低到高時(shí)（即上升沿），延遲上升沿時(shí)間，從而避免了后面信號(hào)傳輸電路H橋兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通而引起的短路,達(dá)到了保護(hù)電路的目的。為減少死區(qū)時(shí)間過(guò)大對(duì)實(shí)際控制電機(jī)的有效電壓的影響，根據(jù)H橋電路設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)，這里選擇160 ns的上升沿延遲時(shí)間。

2.3.2 碼盤信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

    本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(guān)節(jié)電機(jī)同軸連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器就會(huì)輸出3路脈沖信號(hào)：A、B、Z。其中脈沖Z用于光電編碼器的調(diào)零或者同步功能，不需要作額外的處理。光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同時(shí)，脈沖信號(hào)A、B輸出的波形也會(huì)不同。光電編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前于B信號(hào)90°，反之，光電編碼器反轉(zhuǎn)，A信號(hào)滯后于B信號(hào)90°^[7]。將光電編碼器的信號(hào)電平變化時(shí)序用有限狀態(tài)機(jī)描述，可以得到一個(gè)具有9個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，即為有限狀態(tài)機(jī)。

    根據(jù)光電編碼器的輸出信號(hào)狀態(tài)機(jī)，在CPLD中采用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了光電編碼器信號(hào)采集模塊。碼盤模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)光電編碼器的A、B相的輸入。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)碼盤值不斷累加，反轉(zhuǎn)時(shí)碼盤值累減，DSP通過(guò)地址譯碼可以讀取到CPLD內(nèi)部存儲(chǔ)碼盤值寄存器，從而得到相應(yīng)的光電編碼器的計(jì)數(shù)值。對(duì)碼盤采集模塊單獨(dú)仿真，得到的邏輯仿真結(jié)果如圖3所示。count_data是CPLD內(nèi)部存儲(chǔ)碼盤值的變量，給定A相(pule_a)、B相(pule_b)相應(yīng)的波形，碼盤計(jì)數(shù)值在逐漸增大，可知仿真結(jié)果是符合設(shè)計(jì)時(shí)序要求的。

2.4 信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)

    硬件電路設(shè)計(jì)中，信號(hào)的穩(wěn)定性和抗電磁干擾性設(shè)計(jì)要求始終貫穿著整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。特別涉及到高頻和模擬信號(hào)時(shí)，在信號(hào)傳輸方面更應(yīng)該特別注意。在本文運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)中，對(duì)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性考慮主要有以下幾個(gè)方面：

    (1)CPLD向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳輸PWM波過(guò)程中間添加了Buffer電平轉(zhuǎn)換芯片，增加驅(qū)動(dòng)能力，提高了電壓轉(zhuǎn)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(hào)的傳輸具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，杜絕了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過(guò)信號(hào)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(qiáng)的共模抑制能力。

    (3)傳輸信號(hào)過(guò)程中非門的作用：實(shí)現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)換，消除電機(jī)和MOS管傳來(lái)的噪聲，提高了信號(hào)傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)能力。

3 各關(guān)節(jié)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)

    運(yùn)動(dòng)控制器測(cè)試程序流程圖如圖4所示。

    設(shè)定第一關(guān)節(jié)的初始角度為90°，第二關(guān)節(jié)的初始角度為45°，第三關(guān)節(jié)的初始長(zhǎng)度為10 cm，實(shí)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(jìn)行掃描。將實(shí)際各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡與理想軌跡進(jìn)行對(duì)比，可得圖5所示實(shí)驗(yàn)效果圖。

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，各關(guān)節(jié)軌跡跟蹤效果比較理想，實(shí)際位置與理想位置偏差較小。由此，本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器各功能模塊工作正常，且能夠滿足腹腔鏡持鏡臂實(shí)時(shí)控制的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

    本文針對(duì)腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)的實(shí)際需求，在自主研發(fā)的腹腔鏡持鏡臂基礎(chǔ)上，針對(duì)操作手臂控制方式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于DSP加CPLD平臺(tái)的硬件系統(tǒng)。著重介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，以及DSP模塊和CPLD內(nèi)部各模塊的設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性也進(jìn)行了充分的考慮。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可滿足運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性的要求。

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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(kāi)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，天津300350；2.天津市智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350）