质子治疗装置动态电源控制系统研发
上海质子治疗示范装置是我国自主研发的首台国产质子医用加速器,主要由注入器、低能输运线、同步加速环、高能输运线以及两个固定支架治疗室和一个旋转支架治疗室组成[1]。同步加速环上的动态电源及其控制系统是质子治疗装置中重要的子系统之一,通过控制同步加速器主环上的磁铁电源输出动态励磁电流以满足磁场要求[2-5];根据治疗系统需求,动态电源组输出的励磁电流的同步性、分辨率及动态响应具有较高要求。因此,质子治疗装置对电源及其控制系统具有很高的要求,电源控制系统必须保证电源实时响应且具备高可靠性和高控制精度。典型的电流波形包括束流注入过程、束流升能过程、电流独特的减小涡流超调曲线、能量引出平台(用于质子治疗装置扫描治疗)和降能过程。为了实现不同治疗需求,当前的电源控制系统预先在板卡上储存了94组电流波形离散数据,通过网络控制系统逐一触发所需波形[6]。按照治疗系统需求,束流引出的能量平台时间相对较长,且对同一组电流波形离散数据而言,引出时间也不固定,故电源控制板卡采用“中断序列”触发模式,即:控制系统提前告知电源控制板卡,控制板卡在对第N个波形数据触发时,触发到第M(中断序列号)个离散电流数据点时暂停触发,此时电源输出电流(对应第M个离散电流数据)对应所需的引出平台电流;引出结束后,控制系统通知电源控制板卡继续触发剩余离散波形数据。受电源控制板卡的处理能力及实时通信要求限制,电源控制板卡只能预处理1个“中断序列”,无法处理多能量平台引出情况。
针对质子治疗装置中动态电源后期可能提出需要高速控制实现实时的动态数据传输的要求,本文设计了一种新的控制方式,即使用基于ARM的开源硬件和FPGA来控制波形的传输。该控制系统有以下优点:可实现远程控制电源触发任意波形、完成动态电源上层控制从而释放底层电源控制的压力,减小系统调试难度并提升了系统的可靠性;FPGA可逻辑再编程,具有响应速度快、可严格约束控制时序等特点,从而可实现对动态电源的实时控制,克服了一般网络控制系统中存在的不确定延时问题;该控制器也满足静态电源控制需求,是一套通用电源控制系统;该架构灵活方便,功能扩展性强,可作为通用控制平台,且基于开源硬件有较长的生命周期。
数字电源与模拟电源相比具有高精度、高可靠性、易维护等优势,现国内外加速器电源控制大都向数字化发展,数字电源控制系统主要有三种架构:(1)前端计算机直接控制数字电源控制器;(2)前端计算机加VME总线(或PCI、PXI等总线)控制数字电源控制器;(3)前端计算机加上层控制器控制数字电源控制器。方案一是目前上海质子治疗装置采用的方式,其架构简单灵活,但实时性较差,且数字电源控制器功能实现复杂,不仅要负责底层的电源转换控制还要负责上层的功能控制;方案二是加速器电源控制的主流方式,其优点是具备很好的可靠性和扩展性,但缺点是系统成本高、通用性较差。方案三的控制架构具有较好的通用性、软硬件可裁剪的优点,缺点是架构较复杂、研发成本偏高[7-8]。
1 系统总体设计
电源控制系统采用FPGA实现对电源的同步触发、波形数据校验与打包发送、状态监测等功能。基于ARM开源硬件Beaglebone(BBB)作为前端控制计算机,运行Linux操作系统并集成了EPICS(Experiment Physics and Industrial Control System)控制软件。系统框图如
控制主体流程如
2 硬件系统设计
控制器硬件结构如
3 固件及接口
固件模块如
上层控制器与定时系统、联锁系统和底层电源通信皆采用光纤通信,对定时、联锁和同步信号的时序处理如
图 5. Timing, interlocking and synchronization signal processing
Fig. 5. Timing, interlocking and synchronization signal processing
Beaglebone上运行的Debian专用系统支持包括网络、USB等各类设备驱动。Beaglebone和FPGA之间使用GPMC高速总线通信,GPMC支持同步读写、异步读写和块读写模式,最高工作频率可达100 MHz,GPMC接口的底层驱动内置在内核中,启动方式是通过编写设备树文件(Device Tree)来实现[17-18],设备树文件主要实现以下功能:配置GPMC地址、内存空间、中断号、通信时序和通信模式。这里配置GPMC接口为16位地址和数据复用的同步通信单次读写模式,同步时钟为50 MHz。Beaglebone的IO口为多功能复用IO,GPMC端口的使用必须禁止EMMC(嵌入式多媒体存储卡)和HDMI(高清多媒体接口)功能,加载设备树文件后操作设备文件可实现和FPGA通信。
GPMC接口如
4 应用软件
Beaglebone开发平台是高性能的Linux开源平台,带有高速的通用存储控制器(General-Purpose Memory Controller,GPMC)总线接口,可方便实现和FPGA高速通信,板载网络接口方便远程控制,在本文应用中作为动态电源控制系统的前端控制计算机。软件采用三层结构,客服层、服务层和实时控制层(FPGA上实现)。客服层提供操作界面,便于调束人员进行控制;服务层满足客服端控制需求,为了实现质子治疗装置的整体控制,在Beaglebone上运行基于Linux的Debian专用系统,在系统上开发基于EPICES动态电源远程控制驱动,采用C/S(Client/Server)架构开发电源控制Input Output Controller(IOC),实现质子注入器本地控制计算机与远程控制计算机之间的通信,进而实现远程控制计算机对质子动态电源波形的控制及运行状态参数的获取。控制界面如
5 测试结果
通信中随机产生测试数据模拟任意的波形数据,发送命令频率设置为100 kHz,通信106次,使用Quartus软件中的Signaltap在线逻辑分析仪抓取FPGA实际通信结果,实验结果显示控制系统可在定时系统信号到达后200 ns发送数据,数据发送为间隔10 μs,具备联锁暂停功能与传输出错暂停及远程实时显示功能,满足动态电源实时控制及能量多平台引出的要求,验证了基于开源平台和FPGA控制动态电源的可行性。通信测试结果如
图 8. Signaltap crawled communication results
Fig. 8. Signaltap crawled communication results
6 结 论
本文设计并开发了一种基于Beaglebone开源硬件和FPGA的质子治疗装置动态电源控制系统。经初步实验验证,该控制系统可以满足动态电源实时传输任意波形、多能量平台引出的控制要求,验证了该控制架构的可行性。此外,Beaglebone开源硬件功能丰富,FPGA逻辑可再编程,两者搭配的架构具有较好的灵活性,可满足多种控制系统需求,有助于降低电源控制板卡的数据传输与处理负担,对电源的稳定性有利。
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