基于PCI總線的劑量控制系統(tǒng)的通信研究

肖文君 劉萬松 劉伍豐 李境達(dá)

摘? 要： 為解決主動(dòng)式腫瘤治療中治療計(jì)劃系統(tǒng)和加速器控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信問題，研發(fā)了智能終端系統(tǒng)。文中設(shè)計(jì)的基于PCI總線的劑量控制系統(tǒng)是智能終端系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)利用Altera公司的ACEX1K50芯片實(shí)現(xiàn)PCI總線接口，利用WDF驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的PCI驅(qū)動(dòng)，通過開發(fā)的應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序接口，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)同F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)智能終端與劑量控制器的數(shù)據(jù)通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 腫瘤治療; 劑量控制系統(tǒng); 數(shù)據(jù)通信; PCI驅(qū)動(dòng); 智能終端; 驅(qū)動(dòng)程序安裝

中圖分類號(hào)： TN913?34; TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）16?0036?04

為了解決主動(dòng)式腫瘤治療中，治療計(jì)劃系統(tǒng)與加速器控制系統(tǒng)之間的通信問題，特研發(fā)了一種智能終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在治療過程中智能地實(shí)現(xiàn)束流位置?劑量聯(lián)動(dòng)。劑量控制系統(tǒng)是智能終端系統(tǒng)的一部分，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤治療的劑量。如果照射劑量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送劑量同步信號(hào)給位置控制器，智能切換束流的掃描方向。

1? 劑量控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

劑量控制系統(tǒng)用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤治療的劑量，通過與位置控制器的配合智能實(shí)現(xiàn)位置?劑量聯(lián)動(dòng)，使束流的輻照區(qū)域形狀在三維方向上與腫瘤的實(shí)際形狀一致，從而降低束流對(duì)腫瘤周圍健康組織的照射，提高放射治療的治療增益比，以達(dá)到更好的治療效果。劑量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由兩部分組成，即智能終端系統(tǒng)前端服務(wù)器和劑量控制器。智能終端系統(tǒng)前端服務(wù)器和劑量控制器采用PCI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。智能終端系統(tǒng)前端服務(wù)器將劑量信息存放在劑量控制器中，治療過程中，劑量控制器從束流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得當(dāng)前輻照劑量，判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)輻照劑量，通過輸出控制信號(hào)指示位置控制器，從而實(shí)現(xiàn)位置與劑量的聯(lián)動(dòng)。

2? 劑量控制器

劑量控制器是劑量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其模塊結(jié)構(gòu)見圖2。劑量控制器是通過采用ACEX1K50芯片來是實(shí)現(xiàn)的。劑量控制器通過PCI接口與智能終端進(jìn)行通信，用大容量SDRAM來存儲(chǔ)智能終端傳輸過來的數(shù)據(jù)，并且在該FPGA中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制，從而保證劑量控制系統(tǒng)的精度要求和穩(wěn)定性要求[1?2]。

智能終端把醫(yī)生給出的腫瘤處方劑量通過PCI接口，存放在劑量控制器的SDRAM存儲(chǔ)器中，每次治療的數(shù)據(jù)被單獨(dú)連續(xù)存放，由首地址索引，首個(gè)治療數(shù)據(jù)是掃描點(diǎn)個(gè)數(shù)，以下依次為每個(gè)掃描點(diǎn)的處方劑量。劑量計(jì)數(shù)器的輸入是從束流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的劑量脈沖，輸出是脈沖信號(hào)用來指示位置控制器，從而實(shí)現(xiàn)位置與劑量的聯(lián)動(dòng)。劑量控制過程如下：

1） 劑量控制器從SDRAM中讀出處方劑量，加載到相應(yīng)的計(jì)數(shù)器中。

2） 劑量控制器開始接收劑量脈沖，同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果當(dāng)前的掃描點(diǎn)計(jì)數(shù)完成，說明已達(dá)到預(yù)設(shè)的處方劑量，劑量控制器立即向位置控制器發(fā)出信號(hào)。

3） 位置控制器就將束流定位到下一掃描點(diǎn)，同時(shí)劑量計(jì)數(shù)器也加載下一點(diǎn)的處方劑量，開始下一點(diǎn)的計(jì)數(shù)。

3? 劑量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

智能終端與劑量控制系統(tǒng)是通過PCI（Peripheral Component Interconnect）總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的。PCI總線是由Intel公司首先推出的一種局部總線，適用于各種平臺(tái)。由于其功能強(qiáng)大， 使用方便靈活， 與其他總線相比具有較大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。劑量控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)包含了PCI總線接口的設(shè)計(jì)、PCI總線驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

3.1? PCI總線接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的PCI總線接口是在Altera公司的ACEX1K50芯片中實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)采用通信狀態(tài)機(jī)（FSM） 實(shí)現(xiàn)PCI通信時(shí)序。狀態(tài)機(jī)根據(jù)PCI總線上的控制信號(hào)、配置空間的狀態(tài)信號(hào)切換不同的狀態(tài)，同時(shí)在各種狀態(tài)下發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)來控制總線上的數(shù)據(jù)流向。設(shè)計(jì)4種狀態(tài)：Idle，Compare，Transfer和Backoff。Idle狀態(tài)是空置狀態(tài)，表示總線上沒有任何事務(wù)發(fā)生;Compare狀態(tài)表示總線主設(shè)備發(fā)起總線事務(wù)，從設(shè)備通過比較總線上的地址判斷本次總線事務(wù)是否屬于該設(shè)備，如果是，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換到Transfer狀態(tài)并且發(fā)出相應(yīng)的讀寫信號(hào)，若主設(shè)備需要結(jié)束本次總線周期，它會(huì)切換到Backoff狀態(tài)[3?4]。PCI總線接口狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

3.2? PCI總線驅(qū)動(dòng)程序

系統(tǒng)采用WDF（Windows Driver Foundation）模型開發(fā)PCI總線驅(qū)動(dòng)程序。WDF模型是微軟新一代驅(qū)動(dòng)開發(fā)模型，該模型以WDM為基礎(chǔ)進(jìn)行建模和封裝，并支持內(nèi)核模式及用戶模式兩種驅(qū)動(dòng)模型。在WDF驅(qū)動(dòng)模型下，無論內(nèi)核模式的驅(qū)動(dòng)程序還是用戶模式的驅(qū)動(dòng)程序，它們都采用同一套對(duì)象模型構(gòu)建，以及同一個(gè)基礎(chǔ)承載[5?9]。

3.2.1? 驅(qū)動(dòng)程序入口地址

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序被加載時(shí)，會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程，這是WDF驅(qū)動(dòng)程序的主入口地址。驅(qū)動(dòng)程序通過DriverEntry例程創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)對(duì)象并設(shè)置EvtDriverDeviceAdd例程地址。

3.2.2? 驅(qū)動(dòng)程序初始化

當(dāng)pnp管理器檢測(cè)到新的PCI硬件設(shè)備插入，根據(jù)安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)Inf文件中指定的設(shè)備識(shí)別號(hào)和廠商識(shí)別號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，然后調(diào)用PCIDriver_EvtDevIceAdd回調(diào)函數(shù)，完成驅(qū)動(dòng)程序的初始化。

3.2.3? DMA操作

在本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，用到了KMDF為DMA操作提供的兩個(gè)對(duì)象：WDFDMAENABLER和WDFCOMMONBUFFER。WDFDMAENABLER對(duì)象用于建立一個(gè)DMA適配器，說明DMA通道的特性。WDFCOMMONBUFFER對(duì)象用于申請(qǐng)系統(tǒng)提供的公用緩沖區(qū)。首先，驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建一個(gè)WDFDMAENABLER對(duì)象，然后再創(chuàng)建一個(gè)WDFCOMMONBUFFER對(duì)象。在成功創(chuàng)建WDFCOMMONBUFFER對(duì)象后，操作系統(tǒng)會(huì)為驅(qū)動(dòng)程序提供一個(gè)在物理上連續(xù)的內(nèi)存，在此把它稱為公用緩沖區(qū)，作為硬件設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行DMA傳輸?shù)墓矃^(qū)域。

3.2.4? 硬件訪問

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序收到IRP時(shí)，根據(jù)IRP中的主功能碼在相應(yīng)的隊(duì)列中排隊(duì)，然后依次取出隊(duì)列中的各個(gè)IRP，調(diào)用I/O請(qǐng)求隊(duì)列處理函數(shù)。在本驅(qū)動(dòng)中，只運(yùn)用IoControl隊(duì)列，應(yīng)用程序同樣只能通過發(fā)送IoControl命令的方式來調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。因此，所有的I/O請(qǐng)求操作都可以在一個(gè)隊(duì)列處理函數(shù)內(nèi)完成。

對(duì)硬件的訪問具體就是對(duì)BAR0的訪問、對(duì)BAR1的訪問、對(duì)BAR2的訪問以及對(duì)COMMONBUFFER的訪問。其中對(duì)BAR0和BAR1的訪問通過存儲(chǔ)器操作，對(duì)BAR2的訪問通過I/O操作，對(duì)COMMONBUFFER的訪問則通過內(nèi)存拷貝函數(shù)直接實(shí)現(xiàn)。

3.3? 應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的通信

應(yīng)用程序通過同驅(qū)動(dòng)程序通信，從而達(dá)到控制設(shè)備的目的。應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序通信的過程是：應(yīng)用程序先用CreateFIle函數(shù)打開設(shè)備，然后可以用DevIceloControl和KMDF通信，包括從KMDF讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)給KMDF兩種情況，也可以用ReadFIle從KMDF讀數(shù)據(jù)或用WriteFIle寫數(shù)據(jù)給KMDF，當(dāng)應(yīng)用程序退出時(shí)，用CloseHandle關(guān)閉設(shè)備[10?11]。WIN32 API函數(shù)與KMDF回調(diào)例程對(duì)應(yīng)情況如表1所示。

4? 劑量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信測(cè)試

4.1? 驅(qū)動(dòng)程序安裝

INF是Device Information的縮寫，INF文件又被稱為“安裝文件”。它包含了設(shè)備安裝指令，系統(tǒng)通過這些指令來理解設(shè)備，并將驅(qū)動(dòng)程序與物理設(shè)備聯(lián)系在一起。當(dāng)操作系統(tǒng)檢測(cè)到有新硬件插入時(shí)，會(huì)彈出“找到新硬件向?qū)А钡膶?duì)話框，然后選擇INF文件所在的路徑，根據(jù)INF文件內(nèi)容安裝驅(qū)動(dòng)程序。PCI驅(qū)動(dòng)程序安裝完成之后，在設(shè)備管理器中會(huì)添加一個(gè)硬件的類，驅(qū)動(dòng)安裝界面如圖4所示，在驅(qū)動(dòng)安裝成功后，在設(shè)備管理器中添加WDFDRIVER的硬件。

4.2? 存儲(chǔ)器寫事務(wù)測(cè)試

先打開控制臺(tái)程序，再打開應(yīng)用程序，并輸入?yún)?shù)[W 4 10]。其中W表示對(duì)BAR0進(jìn)行寫操作，4為BAR0的偏移地址，10為要寫的數(shù)據(jù)。程序運(yùn)行流程：應(yīng)用程序根據(jù)參數(shù)[W]調(diào)用相應(yīng)的DevIceloControl函數(shù)，然后根據(jù)DevIceloControl的控制代碼調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中相對(duì)應(yīng)的函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序首先獲取應(yīng)用程序傳遞過來的輸入緩沖區(qū)，從中取出偏移地址和數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)寫到硬件指定的地址中。存儲(chǔ)器寫事務(wù)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

4.3? 存儲(chǔ)器讀事務(wù)測(cè)試

存儲(chǔ)器讀事務(wù)的過程與寫事務(wù)的過程類似，輸入?yún)?shù)[R 4]，表示讀取基地址為BAR0，偏移地址為4的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器讀事務(wù)測(cè)試結(jié)果如圖6所示，數(shù)據(jù)為10，該數(shù)據(jù)為剛寫進(jìn)去的數(shù)。

4.4? DMA操作測(cè)試

對(duì)于DMA操作，應(yīng)用程序首先打開一個(gè)二進(jìn)制文件，該二進(jìn)制文件包含4個(gè)32位的數(shù)。第一個(gè)32位數(shù)表示控制該DMA操作是讀操作還是寫操作，第二個(gè)32位數(shù)表示DMA操作的數(shù)據(jù)長度，第三個(gè)32位數(shù)表示FPGA中FIFO的偏移地址，第四個(gè)32位數(shù)表示COMMONBUFFER的偏移地址。然后將這些參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序把參數(shù)賦值給相應(yīng)的寄存器，并啟動(dòng)DMA操作。先啟動(dòng)一個(gè)DMA操作，向COMMONBUFFER分別寫入從數(shù)字1開始的10個(gè)連續(xù)的數(shù)，然后從COMMONBUFFER讀數(shù)，DMA操作結(jié)果如圖7所示。

5? 結(jié)? 論

本文介紹了智能終端劑量控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，闡述了智能終端劑量控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用通信狀態(tài)機(jī)在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI總線接口，采用微軟WDF驅(qū)動(dòng)框架，實(shí)現(xiàn)了PCI總線驅(qū)動(dòng)程序，完成了智能終端前端服務(wù)器與劑量控制器的數(shù)據(jù)通信，使得腫瘤治療的劑量數(shù)據(jù)能夠快捷方便地下載至劑量控制器中，同時(shí)能夠從劑量控制器中實(shí)時(shí)地獲取輻射劑量信息以便監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)束流位置?劑量聯(lián)動(dòng)。

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