电机控制系统及方法与流程

本申请涉及医疗领域，具体涉及一种超声成像领域中的电机控制系统及方法。

背景技术：

在超声成像领域，通常通过2D探头发射和接收超声波来实现超声成像，得到二维平面图像。随着技术的发展，4D超声成像技术被逐步应用到超声成像领域中，与2D探头相比，4D探头不仅需要实现发射和接收超声波，还要实现探头阵元的来回摆动，形成实时的三维立体图像。现有技术通过在2D探头内部放置电机(如步进电机或直流电机)，然后利用单片机控制电机的运动来控制2D探头阵元沿轴来回摆动，以实现三维立体成像，更加逼真的再现人体内部组织。由于超大规模集成电路技术的迅速发展，DSP(Digital Signal Process，数字信号处理器)的性价比得到很大的提高，使得DSP在电机控制领域的应用也愈来愈广泛。与单片机相比，DSP具有计算速度更快、数字计算能力更强以及集成度更高也更加专业化的优势。然而，直接在原有的2D探头控制系统的控制电路中添加控制电机的模块，会导致整个控制电路的大幅度修改，不仅需要消耗大量精力，成本也大大增加。为了避免上述损失，现有技术通常将含有DSP模块的电机控制系统单独做成一个控制电路板。

如图1所示，现有的探头电机控制系统包括分别与上位机(指可以直接发出操控命令的计算机，例如：超声成像系统的PC机)相连的电机控制模块(如DSP)和探头控制模块(如FPGA，Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)。为了实现对4D探头内电机的控制，通常采用串行通信方式来连接电机控制模块与上位机，例如，通过RS232串口实现电机控制模块与上位机之间的连接。工作时，上位机通过RS232串口将电机转动控制指令发送给电机控制模块，接着电机控制模块对接收到的电机转动控制指令进行处理后控制电机的运动。而为了实现对探头检测数据的实时采集，需要通过上位机指示探头控制模块，开始探头检测数据的收发。

由于RS232串口采用不平衡的发送器和接收器，每个信号只有一根导线，两个传输方向仅有一个信号接地线，导致电气性能不佳，容易发生信号间的干扰。而且，RS232仅适合于0～20kb/s范围内的数据传输速率，对高速通信无法满足。上位机在发送指令至电机控制模块时会存在数据传输的延迟，相应地，上位机在与探头控制模块之间进行数据传输也会存在一个传输的延迟，这两个延迟时间是不相等的，导致电机转动和探头检测参数收发之间存在不确定的时间差，会影响探头摆动角度与成像设定角度之间的一致性，虽然可通过图像处理来弥补由于一致性带来的误差，但这会造成软件系统的负担。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种电机控制系统及方法，以解决现有技术中存在的4D探头的电机转动与探头检测参数收发之间存在的不确定时间差，而造成的探头摆动角度与探头成像角度不一致性的技术问题。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

一种电机控制系统，所述电机用于控制4D探头转动，所述系统包括实时采集探头检测参数并发送至上位机的探头控制模块电路，还包括：

设置一用于驱动电机转动的电机控制模块电路，所述电机控制模块电路与所述探头控制模块电路是相互独立的两电路板；

所述探头控制模块转发所述上位机发送的电机转动控制指令至电机控制模块，驱动电机转动。

在一实施例中，所述电机控制模块包括电机控制器，所述探头控制模块包括探头控制器，所述电机控制器的各信号端与所述探头控制器的对应信号端通过插接件电连接。

在一实施例中，所述电机控制器是DSP。

在一实施例中，所述DSP包括一外部接口，所述外部接口通过并行总线电连接至所述探头控制器。

在一实施例中，所述DSP包括外部中断接口，所述外部中断接口电连接至所述探头控制器的中断控制信号端。

对应于实现本发明的电机控制系统，本发明另外提供了一种电机控制方法，包括利用上述电机控制系统控制电机运行，所述方法还包括：

所述电机控制模块与所述探头控制模块通过并行通信的方式收发数据，所述并行通信由中断的方式控制；

当所述探头控制模块的探头控制器接收自上位机发送的电机转动控制指令时，所述探头控制器发送中断请求信号至所述电机控制模块的电机控制器，将所述电机控制器的外部中断接口置为中断有效信号，所述电机控制器则响应中断，读取所述探头控制器的电机转动控制指令，驱动电机转动。

在一实施例中，通过所述中断方式控制并行通信的过程还包括：

在所述探头控制器发送完电机转动控制指令至所述电机控制器后，清除所述外部中断接口的中断请求信号。

在一实施例中，还包括：

通过所述探头控制模块转发所述电机控制器反馈的电机转动参数至所述上位机，所述电机转动参数包括电机正常运行信息和电机转动错误信息，所述上位机在接收到电机转动错误信息后，通过探头控制模块转发电机复位指令至电机控制模块，控制电机进行复位。

在一实施例中，所述电机控制模块反馈电机转动参数至所述上位机的过程为：

所述电机控制模块的电机控制器实时监测该电机控制器的片选信号端，当所述片选信号端为片选有效信号时，将电机转动参数写入所述探头控制模块的探头控制器，由探头控制器将该电机转动参数发送给上位机。

在一实施例中，所述探头控制器周期性发送片选有效信号至所述电机控制器的片选信号端。

本发明的有益效果：通过探头控制模块转发电机转动控制指令，电机的转动与探头检测参数的采集均通过探头控制模块控制，使得电机转动和探头检测参数收发的时间差唯一，从而确保探头摆动的角度与成像角度的一致性，提高成像的精度。另外，在不改变现有的2D探头控制模块电路设计的基础上，增加另一相对独立的用于驱动电机转动的电机控制模块电路，避免了大幅度修改现有的探头控制电路的步骤，节省成本。

附图说明

图1为现有技术的电机控制系统的结构原理示意图；

图2为本申请提供的一种电机控制系统的结构原理示意图；

图3为本申请提供的具体实施例的电机控制系统的结构示意图；

图4为图3所示的具体实施例的外部接口结构框图；

图5为图3所示的具体实施例的外部接口时钟关系示意图；

图6为本申请提供的电机控制方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

参见图2，为本申请提供的一种电机控制系统的结构原理图，该电机用于控制4D探头的转动，该电机控制系统包括上位机、探头控制模块电路和电机控制模块电路。其中，探头控制模块电路的一端与上位机通信连接，另一端与电机控制模电路通信连接。通过探头控制模块转发上位机发送的电机转动控制指令至电机控制模块，驱动电机转动。

在本申请中，探头控制模块电路与电机控制模块电路为两个相互独立的电路板，探头控制模块电路采用现有的2D探头控制模块电路，增加另一块专门用于驱动电机转动的电机控制模块电路，避免了大幅度修改现有的探头控制电路的步骤，节省成本。

本申请的上位机通过探头控制模块获取探头检测参数，同样，上位机还通过探头控制模块转发电机转动控制指令参数给电机控制模块，两个参数传输延迟时间差相同，从而使得电机转动与探头检测参数的收发时间差为确定的，提高了探头成像的精度。

其中，探头控制模块包括探头控制器，电机控制模块包括电机控制器，通过插接件将电机控制器的各信号端与探头控制器的对应信号端电连接，以实现探头控制模块与电机控制模块之间的通信连接。

电机控制模块与探头控制模块可通过串口(例如RS232或RS485)或并行总线连接通信，具体可根据实际情况选择。为了适应高速传输的需求，且增加数据传输的稳定性，本申请的电机控制模块通过并行总线连接至探头控制模块。为实现对探头控制器的控制与通信，可选地，电机控制器包括一外部接口，外部接口通过并行总线电连接至探头控制器。

参见图3，探头控制器选用FPGA，电机控制器选用性能较好的DSP，该DSP具有外部接口，具体地，该外部接口是一个非复用的异步总线，可与外部设备如FPGA电连接后，通过并行通信来传输数据。

参见图4，外部接口包括多个信号端，例如片选信号端XZCSxxx(xxx为0，1，2，6和7等)、数据总线XD、地址总线XA、写使能信号端XWE以及读使能信号端XRD等。

一个可行的实现方式是：DSP的外部接口被映射到5个固定的存储空间区域，分别为Zone0、Zone1、Zone2、Zone6和Zone7。每个存储空间区域分别对应一个外部接口的片选信号端，当相应的片选信号端的信号为片选有效信号时，选中对应的存储空间区域作为通信时的数据缓存空间。其中，片选有效信号被设置为低电平有效，当然也可以根据需要选择高电平作为片选有效信号。

Zone0和Zone1，Zone6和Zone7分别通过“与门”输出，这样Zone0和Zone1就形成一个共享芯片选择，Zone6和Zone7也形成一个共享芯片选择，即相应的与门输出为片选有效信号时，对应的两个存储空间区域均可进行访问。

其中，数据总线为16位，地址总线为19位。本申请在传输电机转动控制指令或电机转动参数时，16位数据总线均需进行数据的传输，选择地址总线中的3条地址总线即可包含上位机的电机转动控制指令的地址位。

参见图5，对外部接口的读写操作可分为引导(LEAD)、激活(ACTIVE)和追踪(TRAIL)三个阶段，在一个读访问和写访问中，这个三个阶段的时间可分别设定，具体是通过外部接口的XTIMING寄存器进行配置，XTIMING寄存器包含XTIMING0、XTIMING1、XTIMING2、XTIMING6和XTIMING7共5个相应位，分别对应控制Zone0、Zone1、Zone2、Zone6和Zone7这5各存储空间区域的引导、激活和追踪三个阶段的时间。

外部接口的访问时钟频率由内部的XTIMCLK时钟提供，DSP的系统时钟SYSCLKOUT可达150MHz，默认状态下，XTIMCLK为SYSCLKOUT的一半，可达75MHz，能够满足高速数据通信的需求，即外部接口的读写速度可达75MHz。

为打通DSP与FPGA之间的通信通道，通过插接件将DSP外部接口的各信号引脚与FPGA对应功能的信号引脚相连接。本申请的插接件包括两排功能插接口，每排插接口均为多个且完全相同，本申请的多个插接口自上而下分布有数据、地址、片选、中断、写和读的信号插接口，在插接件的内部，通过导线将两排插接口相对应的信号插接口连接。在使用外部接口实现电机控制器与探头控制器的通信时，无论是读操作还是写操作，电机控制器均作为主设备，探头控制器为从设备，即探头控制器只能读取和判断信号线的状态，而不能控制电机控制器的外部接口信号端。因而只需在探头控制器接收到上位机发送的电机转动控制指令时，电机控制器才需对探头控制器的数据进行读取操作。本申请的DSP还包括外部中断接口XINT1，通过中断控制方式实现只有在上位机发送电机转动控制指令至探头控制器时，电机控制器读取探头控制器的数据。

在连接DSP与FPGA时，将FPGA的数据端(XD)、地址端(XA)、片选信号端(CS)、读使能端(XR)、写使能端(RD)的信号端和中断控制信号端(INT)、引脚引出后，按照引脚功能对应插入插接件其中一排插接口内，同样地，将外部接口的数据端(XD)、地址端(XA)、片选信号端(XZCSx)、读使能端(XWE)、写使能端(XRD)的信号端以及外部中断接口(XINT1)引脚引出后，也按照引脚功能插入插接件另一排插接口内，即可实现外部接口与FPGA的电连接。

而为了使得外部接口与FPGA的各引脚更好地紧固在插接件的插接口内，以稳定地进行数据的传输，在将引脚插入相应插接口后，在插接口内插入紧固件，用于将引脚牢牢卡在相应的插接口内，不易掉出。

DSP控制电机转动时，为将DSP发送给电机的控制信号转换为电机能识别的数值范围，还需在DSP与电机之间设置电机驱动器，通过电机驱动器连接DSP与电机。例如当探头电机为步进电机时，该电机驱动器可选择drv8825驱动器，通过drv8825驱动器转换DSP发送的电机控制信号为步进电机可识别的数值范围后，驱动步进电机转动。

4D探头内部还设置有位置检测传感器(图中未显示)，用于检测电机的转动角度，并反馈给DSP。可选的，该位置检测传感器是霍尔传感器。DSP将该转动角度与预设电机转动角度(即DSP接收到的电机转动控制指令中的电机转动角度)进行比较，若相同则表示电机正常运行，DSP反馈电机正常运行信息至上位机；否则，表示电机转动存在错误，DSP反馈电机转动错误信息至上位机。

另外，电机控制模块电路还包括电源供电模块，本申请采用双路输出电源调整器外接电源，提供电机控制器所需的工作电压和IO电压。

参见图6，为本申请提供的一种电机控制方法的流程图，该方法利用上述电机控制系统来控制4D探头中的电机的运行。其中，为满足高速通信的需要，提高数据传输效率，本申请的电机控制模块与探头控制模块是通过并行通信的方式收发数据的。由于电机控制模块是通过外部接口与探头控制模块通信的，电机控制模块作为主设备只能读取或发送探头控制模块的数据，为及时读取探头控制模块中的电机转动控制指令，具体地，本申请的并行通信是由中断的方式控制的。

该方法的具体步骤如下：

步骤S1：探头控制器接收自上位机发送的电机转动控制指令。这样，电机转动控制指令的发送与探头检测参数的采集均通过探头控制模块进行，使得电机转动控制指令和探头检测参数收发的时间差唯一，从而确保探头摆动的角度与成像角度的一致性，提高成像的精度。

步骤S2：探头控制器发送中断请求信号至电机控制器。具体地，中断请求信号是被电机控制器的外部中断接口所接收的。

步骤S3：电机控制器的外部中断接口被置为中断有效信号，具体地，本申请选择高电平来作为中断有效信号，在外部中断接口未接收到探头控制器发送中断请求信号时，外部中断接口均为低电平，只能由电机控制器发送数据至探头控制器，而探头控制器的数据无法传输到电机控制器中。

步骤S4：电机控制器响应中断，读取探头控制器的电机转动控制指令，驱动电机转动。电机控制器将电机转动控制指令发送至电机驱动器，由电机驱动器转换为电机能识别的信号，从而驱动电机转动。

步骤S5：清除外部中断接口的中断请求信号。步骤S5是在探头控制器发送完电机转动控制指令至电机控制器后执行的，即通过探头控制器发送低电平至电机控制器的外部中断接口，使得电机控制器结束中断程序，以执行其它程序比如写入数据至探头控制器。

为精确控制电机的转动，本申请还通过探头控制模块转发电机控制器反馈的电机转动参数至上位机，电机转动参数包括电机正常运行信息和电机转动错误信息，若上位机接收到电机正常运行信息，则上位机继续发送电机转动控制指令控制电机运行。

若上位机接收到电机转动错误信息，则通过探头控制模块转发电机复位指令至电机控制模块，控制电机进行复位，控制电机重新运行至准确位置，以获取准确位置处的探头检测参数，防止电机发生转动错误后探头采集错误的超声数据，造成困扰。

当然，在上位机接收到电机转动错误信息后，也可以发送终止指令直接终止电机控制模块与探头控制模块的工作，防止获得更多不准确的探头检测参数所造成的资源浪费。

本申请的电机控制模块写入数据至探头控制模块的过程为：

电机控制模块的电机控制器实时监测该电机控制器的片选信号端，当片选信号端为片选有效信号时，将电机转动参数写入探头控制模块的探头控制器，由探头控制器将该电机转动参数发送给上位机。

本申请选择低电平作为片选有效信号，为了实时将电机控制模块采集的电机转动参数反馈给上位机，探头控制器是周期性发送低电平至电机控制器的片选信号端的。

探头控制器发送片选有效信号至电机控制器的片选信号端的时间间隔是通过探头控制器的内置定时器进行设置的，具体可根据实际需求灵活设定。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。