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[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調，共同來完成手術[1]。可見，運動控制器是整個腹腔鏡機器人系統的核心組成部分[2]。
根據腹腔鏡微創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，縮短了開發的周期，同時能夠滿足持鏡臂系統所需的實時性、穩定性以及高精度的要求。
本文所述自主研發的三自由度腹腔鏡持鏡臂樣機由兩個轉動關節和一個滑動關節組成。
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。DSP通過外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF），采用異步總線方式，實現與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實現與外圍設備的接口，如3個關節電機驅動電路、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，同時為實現控制系統的實時性和穩定性提供了可能[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的數據總線與CPLD的數據總線相連，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，實現二者的通信。
2.3 CPLD內部邏輯功能設計
根據控制器的設計需求，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CPLD內部功能模塊的選擇。
(2)電機控制模塊：根據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量，節省了系統開發成本；集成化的設計更提高了系統的可靠性，并且在設計過程中，可以根據系統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DSP發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。為減少死區時間過大對實際控制電機的有效電壓的影響，根據H橋電路設計中的數據，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機描述，可以得到一個具有9個狀態的狀態轉換圖，即為有限狀態機。
根據光電編碼器的輸出信號狀態機，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過信號傳輸電路干擾數字電路。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：實現邏輯轉換，消除電機和MOS管傳來的噪聲，提高了信號傳輸的驅動能力。
3 各關節軌跡跟蹤實驗
運動控制器測試程序流程圖如圖4所示。
設定第一關節的初始角度為90°，第二關節的初始角度為45°，第三關節的初始長度為10 cm，實現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手術的實際需求，在自主研發的腹腔鏡持鏡臂基礎上，針對操作手臂控制方式，設計和實現了基于DSP加CPLD平臺的硬件系統。著重介紹了系統的整體架構，以及DSP模塊和CPLD內部各模塊的設計。采用模塊化的設計，方便系統的調試和升級，同時對控制系統的可靠性也進行了充分的考慮。經實驗證明，本系統可滿足運動控制器實時性與穩定性的要求。
參考文獻
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[7] 姜義.光電編碼器的原理與應用[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 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）