0 引言

    腹腔鏡微創(chuàng)外科技術(shù)興起于20世紀80年代。有別于開放式的外科手術(shù)方式，利用腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機器人進行手術(shù)時，只需在患者身體上做一個很小的切口，用來導(dǎo)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(shù)器械相互協(xié)調(diào)，共同來完成手術(shù)^[1]?？梢?，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(shù)和實驗樣機的實際需求，本文采用DSP+CPLD的運動控制架構(gòu)。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(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個滑動關(guān)節(jié)組成。

1 控制器硬件的整體架構(gòu)設(shè)計

    如圖1所示，本文設(shè)計的控制器采用DSP+CPLD的主控架構(gòu)。DSP主要用于完成持鏡臂的運動學(xué)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(guān)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(yīng)用的靈活性，因此，用CPLD實現(xiàn)與外圍設(shè)備的接口，如3個關(guān)節(jié)電機驅(qū)動電路、碼盤信號采集電路、限位開關(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

2.1 DSP模塊

    由于持鏡臂運動學(xué)以及相關(guān)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(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(fù)位及看門狗電路、仿真調(diào)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(nèi)存較小，且為了后續(xù)的功能擴展預(yù)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(yīng)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(shè)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(shè)定多種接口時序^[5]。在本設(shè)計中，TMS320F28335的EMIF與CPLD的連接采用了異步設(shè)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(shè)置DSP上地址線Add19和片選xcs7的邏輯關(guān)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(nèi)部邏輯功能設(shè)計

    根據(jù)控制器的設(shè)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(nèi)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(chǎn)生控制H橋的極性相反的三路PWM（脈沖寬度調(diào)制）波，并對三路PWM波做導(dǎo)通延遲（死區(qū)保護），以防止電機驅(qū)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(guān)閉電機使能，開啟抱閘，保證持鏡臂在安全范圍內(nèi)運動。

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

    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語言設(shè)計。在本設(shè)計中采用CPLD設(shè)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(shè)計更提高了系統(tǒng)的可靠性，并且在設(shè)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(shè)計的靈活性，降低了開發(fā)周期。

2.3.1 電機控制信號產(chǎn)生模塊設(shè)計

    本設(shè)計采用PWM方式來驅(qū)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(shù)，廣泛應(yīng)用于電機控制領(lǐng)域^[6]。

    直流電機控制信號產(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(dǎo)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(shè)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(shè)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(guān)節(jié)電機同軸連接，當電機轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)時，A信號超前于B信號90°，反之，光電編碼器反轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)時碼盤值不斷累加，反轉(zhuǎn)時碼盤值累減，DSP通過地址譯碼可以讀取到CPLD內(nèi)部存儲碼盤值寄存器，從而得到相應(yīng)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(jié)果如圖3所示。count_data是CPLD內(nèi)部存儲碼盤值的變量，給定A相(pule_a)、B相(pule_b)相應(yīng)的波形，碼盤計數(shù)值在逐漸增大，可知仿真結(jié)果是符合設(shè)計時序要求的。

2.4 信號傳輸電路設(shè)計

    硬件電路設(shè)計中，信號的穩(wěn)定性和抗電磁干擾性設(shè)計要求始終貫穿著整個設(shè)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(yīng)該特別注意。在本文運動控制器硬件設(shè)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(qū)動電路傳輸PWM波過程中間添加了Buffer電平轉(zhuǎn)換芯片，增加驅(qū)動能力，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(zhuǎn)動時產(chǎn)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(zhuǎn)換，消除電機和MOS管傳來的噪聲，提高了信號傳輸?shù)尿?qū)動能力。

3 各關(guān)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(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(guān)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(jié)果可知，各關(guān)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(shè)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(jié)語

    本文針對腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)的實際需求，在自主研發(fā)的腹腔鏡持鏡臂基礎(chǔ)上，針對操作手臂控制方式，設(shè)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(gòu)，以及DSP模塊和CPLD內(nèi)部各模塊的設(shè)計。采用模塊化的設(shè)計，方便系統(tǒng)的調(diào)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

[1] CLEARY K．Medical robots and the operating room of the future[C]．Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference，Shanghai，China，2005.IEEE Computer Society，2005，7(7)：7250-7253.

[2] 馮美.腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 鞠浩.腹腔鏡微創(chuàng)外科手術(shù)機器人控制系統(tǒng)研究[D].天津：南開大學(xué)，2009.

[4] Texas Instruments.TMS320x28lx，280x DSP peripheral reference guide(Rev.B)[S].2004.

[5] 江燦輝，孫希延，嚴素清，等.基于DSP和FPGA的衛(wèi)星信號模擬器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(9)：51-54.

[6] 崔玉娟，呂運朋，李超.CPLD實現(xiàn)直流伺服電機PWM發(fā)生器[J].電測與儀表，2010，47(3)：73-76.

[7] 姜義.光電編碼器的原理與應(yīng)用[J].傳感器世界，2010，37(2)：16-22.

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(xué) 計算機與控制工程學(xué)院，天津300350；2.天津市智能機器人技術(shù)重點實驗室，天津300350）