張華劍，李曉輝，張帥，吳鳳軍，黃玉珍，高大慶

（1.中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，北京100049；2.中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000）

HIMM數(shù)字電源遠(yuǎn)程調(diào)試軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張華劍1，2，李曉輝2，張帥2，吳鳳軍1，2，黃玉珍2，高大慶2

（1.中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，北京100049；2.中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000）

中科院近代物理研究所自主研發(fā)了用于醫(yī)用重離子加速器HIMM（heavy ion medical machine）的數(shù)字電源。數(shù)字電源在研發(fā)生產(chǎn)的過程中，必需配套的上位機(jī)調(diào)試軟件進(jìn)行全方位的調(diào)試。首先介紹了用于遠(yuǎn)程調(diào)試HIMM數(shù)字電源的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；著重討論了上位機(jī)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)上位機(jī)-下位機(jī)工作流程以及專門定制的數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行了介紹；然后遠(yuǎn)程調(diào)試軟件通過Ethernet與電源的數(shù)字控制器通信，依照通信協(xié)議規(guī)定，可以全方位操作、監(jiān)控不同硬件拓?fù)漕愋偷臄?shù)字電源；再通過對(duì)數(shù)字調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)配置、給定脈沖波形、讀取調(diào)試數(shù)據(jù)等來達(dá)到調(diào)試電源、驗(yàn)收電源的目的；最后在甘肅武威、蘭州在建的2臺(tái)重離子加速器所用全部數(shù)字電源均使用本調(diào)試軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)收。

數(shù)字電源；數(shù)字調(diào)節(jié)器；遠(yuǎn)程調(diào)試

基于中科院近代物理研究所在蘭州重離子研究裝置HIRFL（heavy ion research facility in lanzhou）上治癌實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)與經(jīng)驗(yàn)［1］，近代物理研究所從2011年起開始設(shè)計(jì)建造新型的小型化醫(yī)用重離子加速器HIMM（heavy ion medical machine）。作為特種電源，加速器電源的主要作用是為磁鐵提供特定的勵(lì)磁電流以產(chǎn)生加速器需要的磁場，是醫(yī)用重離子加速器的關(guān)鍵組成部分。近年來，數(shù)字電源技術(shù)蓬勃發(fā)展［2］。近代物理研究所研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字電源［3］將大范圍取代模擬電源，并應(yīng)用于HIMM項(xiàng)目。在數(shù)字電源的研發(fā)與驗(yàn)收過程中，本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程調(diào)試軟件系統(tǒng)必不可少。以觸摸屏和單片機(jī)為基礎(chǔ)的本地監(jiān)控軟件［4］由于資源有限，不能提供全面的調(diào)試功能，調(diào)試任務(wù)很大程度上是由遠(yuǎn)程調(diào)試軟件系統(tǒng)承擔(dān)的。

遠(yuǎn)程調(diào)試軟件通過Ethernet與數(shù)字電源核心控制板的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信。依照專門制定的基于TCP/IP的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)與電源下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)復(fù)位、電流給定、直流脈沖模式切換、參數(shù)設(shè)置、波形發(fā)送、波形啟停、參數(shù)回讀、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，完成對(duì)電源的調(diào)試與控制。

1　HIMM數(shù)字電源系統(tǒng)概述

近代物理研究所研制的基于軟件的數(shù)字調(diào)節(jié)器方案為：Nios II處理器得到電流給定數(shù)字量、負(fù)載端采樣得到電流和電壓反饋數(shù)字量，進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算后輸出調(diào)節(jié)控制量到PWM生成器。PWM生成器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)占空比的PWM波形控制電源功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電流的控制［5］。方案如圖1所示。

HIMM數(shù)字電源核心控制板搭建了基于FPGA嵌入式軟核的SOPC系統(tǒng)，核心控制板主要負(fù)責(zé)電源數(shù)字調(diào)節(jié)器算法的實(shí)現(xiàn)，通過Ethernet、RS485現(xiàn)場總線與PC上位機(jī)、觸摸屏、類PLC板通信［6］。電源系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖1　數(shù)字調(diào)節(jié)器方案Fig.1 Scheme of digital regulator

圖2　數(shù)字電源系統(tǒng)連接Fig.2 The system connection of digital power supply

2　HIMM數(shù)字電源數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

為了規(guī)范HIMM數(shù)字電源設(shè)計(jì)和加工，提高電源通用性和互換性，制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議“重離子治療加速器電源系統(tǒng)控制接口協(xié)議”。它屬于應(yīng)用層協(xié)議，底層數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳輸，硬件連接器為RJ45，多字節(jié)數(shù)據(jù)按照小端模式傳輸。數(shù)據(jù)通信協(xié)議規(guī)定了上位機(jī)調(diào)試軟件與下位機(jī)程序之間傳輸數(shù)據(jù)的格式與規(guī)范，設(shè)定了允許的功能和命令。TCP/IP報(bào)文包括Ethernet幀頭、IP頭部、TCP頭部、上層數(shù)據(jù)和FCS，事實(shí)上，數(shù)據(jù)通信協(xié)議規(guī)定了TCP/IP報(bào)文中“上層數(shù)據(jù)”的格式。重離子治療加速器電源系統(tǒng)控制接口協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1　HIMM數(shù)字電源數(shù)據(jù)通訊協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format of HIMM digital power supply communication protocol

3　HIMM數(shù)字電源遠(yuǎn)程調(diào)試軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1調(diào)試軟件功能劃分

根據(jù)HIMM數(shù)字電源數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)定的功能命令，為滿足調(diào)試需求，調(diào)試軟件應(yīng)提供所有協(xié)議功能，使電源生產(chǎn)、驗(yàn)收人員能通過調(diào)試界面調(diào)試、驗(yàn)收電源，以使電源指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)需求。分析所有功能命令后將調(diào)試軟件功能劃分為4大類，分別為基本操作、高級(jí)操作、波形設(shè)置及參數(shù)設(shè)置，每類用一個(gè)標(biāo)簽頁容納，方便切換。功能劃分見表2。

表2　調(diào)試軟件功能劃分Tab.2 Functional partitioning of the debugging software

3.2調(diào)試軟件設(shè)計(jì)模式

調(diào)試軟件系統(tǒng)主線程通過建立非阻塞Socket連接下位機(jī)FPGA核心通信程序，用戶點(diǎn)擊界面功能按鈕實(shí)現(xiàn)命令下傳，子線程接收并分析處理來自下位機(jī)的響應(yīng)命令，同時(shí)有定時(shí)器每隔設(shè)定時(shí)間詢問電源運(yùn)行狀態(tài)及均流環(huán)輸出電流。此種多線程設(shè)計(jì)模式可以保證用戶界面操作的順暢，不至因?yàn)樯舷挛粰C(jī)之間的通信延時(shí)而使界面產(chǎn)生阻滯。通過網(wǎng)絡(luò)連接，調(diào)試軟件可以調(diào)試多臺(tái)電源。調(diào)試軟件系統(tǒng)程序流程見圖3和圖4。

圖3　調(diào)試軟件主線程流程Fig.3 Main flow chart of the debugging software

圖4　調(diào)試軟件數(shù)據(jù)接收子線程流程Fig.4 Flow chart of data receiving thread

不同電源主回路硬件拓?fù)洳槐M相同，因此其上的數(shù)字控制器控制策略與參數(shù)設(shè)置等有所差別，產(chǎn)生了不同的下位機(jī)控制程序版本，為了標(biāo)識(shí)這些不同的版本，下位機(jī)控制程序?qū)㈩愋痛a存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中。調(diào)試軟件可以在連接下位機(jī)后，獲取其類型碼，并按類型碼初始化界面，包括使能或禁止某些功能，從數(shù)據(jù)庫中加載不同的參數(shù)表，加載不同的控制策略圖，加載不同的波形設(shè)置標(biāo)簽等。具體初始化內(nèi)容如表3所示。

3.3調(diào)試軟件數(shù)據(jù)共享

調(diào)試軟件最基本最重要的功能當(dāng)屬數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)配置。調(diào)試數(shù)字電源的過程就是配置參數(shù)的過程。電源生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員通過設(shè)置不同的調(diào)節(jié)器參數(shù)，測(cè)試電源性能指標(biāo)，當(dāng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過預(yù)期設(shè)計(jì)需求時(shí)的配置參數(shù)非常珍貴。調(diào)試相同型號(hào)電源時(shí)，復(fù)用參數(shù)非常方便。但是對(duì)于調(diào)試人員來講，上百個(gè)參數(shù)的記憶與共享是有難度的。調(diào)試軟件的數(shù)據(jù)共享功能應(yīng)運(yùn)而生。調(diào)試軟件提供參數(shù)方案保存功能，并可以上傳方案至中心數(shù)據(jù)庫。調(diào)試電源前，從中心數(shù)據(jù)庫下載方案后，即可通過調(diào)試軟件方案提取功能提取保存過的方案并發(fā)送給電源。圖5為數(shù)據(jù)共享示意。

表3　根據(jù)不同電源類型碼初始化調(diào)試界面Tab.3 GUI initialization according to different types of power supplies

圖5　數(shù)據(jù)共享示意Fig.5 Sketch map of data sharing scheme

4　結(jié)語

HIMM數(shù)字電源遠(yuǎn)程調(diào)試軟件系統(tǒng)功能完善，可以完成對(duì)HIMM數(shù)字電源的操控、調(diào)試與監(jiān)控。HIMM項(xiàng)目的300余臺(tái)數(shù)字電源全部由該調(diào)試軟件系統(tǒng)調(diào)試、驗(yàn)收。長期廣泛的使用，驗(yàn)證了該調(diào)試軟件系統(tǒng)的可用性、易用性與穩(wěn)定性。HIMM數(shù)字電源遠(yuǎn)程調(diào)試軟件是近代物理研究所自主研發(fā)的數(shù)字電源系統(tǒng)必不可少的一部分，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，必將在醫(yī)用重離子數(shù)字電源系統(tǒng)的推廣中得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］戴中穎，李強(qiáng)，肖國青，等.HIRFL淺層腫瘤重離子治療終端束流配送系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.高能物理與核物理，2007，31（7）：655-659. Dai Zhongying，Li Qiang，Xiao Guoqing，et al.Capability verification of passive beam delivery system in superficially-placed tumor therapy termina at HIRFL［J］.High Energy Physics and Nuclear Physics，2007，31（7）：655-659（in Chinese）.

［2］杜榮權(quán)，陳樂柱，穆瑜.基于數(shù)字控制的MHz頻率單脈沖電源設(shè)計(jì)［J］.電源學(xué)報(bào)，2014，12（2）：101-105. Du Rongquan，Chen Lezhu，Mu Yu.Design of MHz level single pulse power supply based on digital control［J］. Jounal of Power Supply，2014，12（2）：101-105（in Chinese）.

［3］中國科學(xué)院近代物理研究所.離子治癌加速器數(shù)字電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)及調(diào)節(jié)方法：中國，2011102586540［P］.2012-02-22. Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences. Digital power supply regulator and method used in heavy ion medical machine：China，2011102586540［P］.2012-02-22（in Chinese）.

［4］于春蕾，吳鳳軍，高大慶，等.基于單片機(jī)的重離子醫(yī)用治療裝置數(shù)字電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2013，33（11）：1338-1341. Yu Chunlei，Wu Fengjun，Gao Daqing，et al.Design of monitoring and control system of digital power supply for HIMM based on microcontroller［J］.Nuclear Electronics&Detection Technology，2013，33（11）：1338-1341（in Chinese）.

［5］王榮坤.醫(yī)用重離子加速器電源專用數(shù)字調(diào)節(jié)器的研究與設(shè)計(jì)［D］.北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2013. Wang Rongkun.Research and Design of Dedicated Digital Power Supply Regulator for Medical Heavy Ion Accelerator［D］.Beijing：University of Chinese Academy of Sciences，2013.

［6］Wang Rongkun，Chen Youxin，Huang Yuzhen，et al.A new digital pulse power supply in heavy ion research facility in Lanzhou［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2013，727（9）：46-50.

Design of Remote Debugging Software System for HIMM Digital Power Supplies

ZHANG Huajian1，2，LI Xiaohui2，ZHANG Shuai2，WU Fengjun1，2，HUANG Yuzhen2，GAO Daqing2
（1.School of Physical Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China）

Institute of modern physics，Chinese Academy of Sciences independently developed digital power supplies for heavy ion medical machine（HIMM）.First，the design of software system for remote debugging HIMM digital power supplie is introduces in this paper.The structure of the upper computer software system is mainly discussed，the work flow between the upper computer and the digital power supply controller and the data communication protocol is introduced.Then，the remote debugging software all-roundly controls and monitors the power supply by communicating with its digital controller through the Ethernet in accordance with the protocol.The digital controller can be debugged with the functions of parameter setting，waveform setting，and debugging data getting.Finally，All digital power supplies of heavy ion accelerators under construction both in Wuwei an Lanzhou are debugged and accepted by this software system.

digital power supplies；digital power supply controller；remote debugging software

張華劍

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.38

TM 910

A

張華劍（1984-），女，通信作者，博士研究生，工程師，研究方向：加速器電源技術(shù)，E-mail：zhanghj@impcas.ac.cn。

李曉輝（1983-），男，碩士，助理工程師，研究方向：加速器電源技術(shù)，E-mail：lixiaohui@impcas.ac.cn。

張帥（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：加速器電源技術(shù)，E-mail：shuaizhang@impcas.ac.cn。

吳鳳軍（1983-），男，博士研究生，工程師，研究方向：加速器電源技術(shù)，E-mail：wufengjun@impcas.ac.cn。

黃玉珍（1983-），女，博士，高級(jí)工程師，研究方向：加速器電源技術(shù)，E-mail：yuzhenhuang@impcas.ac.cn。

高大慶（1969-），男，博士，研究員，研究方向：加速器電源技術(shù)，E-mail：gaodq@impcas.ac.cn。

2015-11-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11405239）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（11405239）