QI Mingxuan
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# XP.Hardware.MotionControl 运动控制模块设计规划
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> 文档版本：v1.0
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> 创建日期：2026-04-10
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> 适用项目：XplorePlane 平面CT工业检测系统
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## 1. 背景与硬件描述
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本模块用于控制平面CT系统中的所有运动轴、旋转轴及安全防护门。
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### 1.1 直线轴（4轴）
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| 轴标识 | 说明 | 运动方向 |
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|--------|------|----------|
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| 轴1 SourceZ | 射线源Z方向运动 | 上下 |
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| 轴2 DetectorZ | 探测器Z方向运动 | 上下 |
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| 轴3 StageX | 载物台X方向运动 | 前后 |
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| 轴4 StageY | 载物台Y方向运动 | 左右 |
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### 1.2 旋转轴（3轴）
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| 轴标识 | 说明 | 特点 |
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|--------|------|------|
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| 旋转轴1 DetectorSwing | 探测器在XZ平面的旋转摆动 | 有限角度，旋转中心在射线源Z方向延长线上 |
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| 旋转轴2 StageRotation | 载物台围绕XY中心的Z方向旋转 | 可选配置 |
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| 旋转轴3 FixtureRotation | 旋转夹具在载物台XY平面上围绕X方向的旋转 | 可选配置 |
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### 1.3 安全门
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防护门，具备状态机控制与互锁信号联动。
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### 1.4 几何关系
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FOD（焦点到旋转中心距离）= |SourceZ绝对坐标 - 旋转中心绝对Z坐标|
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FDD（焦点到探测器距离） = |SourceZ绝对坐标 - DetectorZ绝对坐标|
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放大倍率 M = FDD / FOD
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```
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只有确定了射线源、探测器、载物台旋转中心的绝对坐标，才能准确计算 FOD 和 FDD，进而控制放大倍率。
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## 2. 目录结构
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XP.Hardware.MotionControl/
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├── Abstractions/
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│ ├── ILinearAxis.cs # 直线轴策略接口
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│ ├── IRotaryAxis.cs # 旋转轴策略接口
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│ ├── ISafetyDoor.cs # 安全门策略接口
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│ ├── IMotionSystem.cs # 顶层系统管理接口
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│ ├── LinearAxisBase.cs # 直线轴抽象基类
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│ ├── RotaryAxisBase.cs # 旋转轴抽象基类
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│ ├── SafetyDoorBase.cs # 安全门抽象基类
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│ ├── MotionResult.cs # 统一操作结果类型
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│ └── Enums/
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│ ├── AxisStatus.cs # 轴状态枚举
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│ ├── DoorStatus.cs # 门状态枚举
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│ └── AxisId.cs # 轴标识枚举
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├── Implementations/
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│ ├── PlcLinearAxis.cs # 基于PLC的直线轴实现
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│ ├── PlcRotaryAxis.cs # 基于PLC的旋转轴实现
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│ └── PlcSafetyDoor.cs # 基于PLC的安全门实现
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├── Services/
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│ ├── IMotionControlService.cs # 运动控制业务服务接口
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│ ├── MotionControlService.cs # 服务实现（含轮询线程、几何计算）
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│ └── GeometryCalculator.cs # FOD/FDD/放大倍率计算器
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├── Config/
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│ ├── MotionControlConfig.cs # 配置实体（轴范围、原点、PLC信号名）
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│ └── ConfigLoader.cs # 配置加载器
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├── ViewModels/
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│ └── MotionControlViewModel.cs # 操作面板 ViewModel
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├── Views/
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│ └── MotionControlView.xaml # 操作面板 UserControl（宽350）
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├── Module/
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│ └── MotionControlModule.cs # Prism 模块注册
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├── Documents/
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│ └── MotionControl_Design.md # 本文档
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└── Resources/
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├── Resources.resx
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├── Resources.zh-CN.resx
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└── Resources.en-US.resx
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```
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## 3. 核心抽象层设计
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### 3.1 三类硬件抽象继承关系
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```
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ILinearAxis IRotaryAxis ISafetyDoor
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│ │ │
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LinearAxisBase RotaryAxisBase SafetyDoorBase
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│ │ │
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PlcLinearAxis PlcRotaryAxis PlcSafetyDoor
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```
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### 3.2 ILinearAxis 接口职责
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- 位置读取（实际值）
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- 目标位置写入
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- Jog 正向 / Jog 反向（按住运动，松开停止）
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- 回零
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- 停止
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- 限位状态读取（正限位 / 负限位）
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- 轴状态（Idle / Moving / Homing / Error / Alarm）
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### 3.3 IRotaryAxis 接口职责
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- 角度读取（实际值）
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- 目标角度写入
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- Jog 正向 / Jog 反向
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- 回零
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- 停止
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- 角度软限位（MinAngle / MaxAngle，来自配置）
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- 轴状态
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### 3.4 ISafetyDoor 接口职责
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- 状态机读取（Unknown / Opening / Open / Closing / Closed / Locked / Error）
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- 开门指令
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- 关门指令
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- 互锁信号读取（是否允许开门）
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### 3.5 IMotionSystem 顶层接口职责
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- 按 `AxisId` 枚举索引各直线轴（SourceZ、DetectorZ、StageX、StageY）
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- 按 `RotaryAxisId` 枚举索引各旋转轴（DetectorSwing、StageRotation、FixtureRotation）
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- 持有安全门实例
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- 协调运动：开门前联锁检查
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- 几何计算委托给 `GeometryCalculator`
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## 4. 服务层设计
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### 4.1 IMotionControlService
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封装业务规则，供 ViewModel 调用：
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- `StartPolling()` / `StopPolling()` — 启停 PLC 数据轮询
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- `MoveToTarget(AxisId, double)` — 移动指定轴到目标位置
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- `MoveAllToTarget(targets)` — 多轴联动移动
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- `StopAll()` — 停止所有轴
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- `HomeAll()` — 全部回零
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- `JogStart(AxisId, direction)` / `JogStop(AxisId)` — Jog 控制
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- `OpenDoor()` / `CloseDoor()` / `StopDoor()` — 门控制（含联锁前置检查）
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- `ApplyGeometry(fod, fdd)` — 根据 FOD/FDD 反算并移动
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- `GetCurrentGeometry()` — 获取当前 FOD/FDD/M
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### 4.2 GeometryCalculator
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```csharp
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// 正算：由轴位置计算几何参数
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double CalcFOD(double sourceZAbs, double stageRotCenterZAbs)
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double CalcFDD(double sourceZAbs, double detectorZAbs)
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double CalcMagnification(double fdd, double fod)
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// 反算：由目标几何参数计算轴目标位置
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(double sourceZTarget, double detectorZTarget) CalcAxisTargets(double targetFOD, double targetFDD)
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// 边界检查：目标值是否在轴 Min/Max 范围内
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bool ValidateTargets(double sourceZTarget, double detectorZTarget)
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```
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绝对坐标计算方式：
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```
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SourceZ绝对坐标 = SourceZ当前位置 + SourceZOrigin（配置）
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DetectorZ绝对坐标 = DetectorZ当前位置 + DetectorZOrigin（配置）
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旋转中心绝对Z坐标 = StageRotationCenterZ（配置，固定值）
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```
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### 4.3 轮询线程
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在 `MotionControlService` 内部使用 `System.Threading.Timer`，周期约 100ms，仅在 PLC 已连接时激活。每次轮询通过 `ISignalDataService.GetValueByName()` 读取所有轴的实际位置和状态，更新到 ViewModel 的可绑定属性。
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## 5. 与 PLC 模块的依赖关系
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MotionControl 通过依赖注入获取 `ISignalDataService`（来自 XP.Hardware.PLC），所有读写操作通过信号逻辑名称进行，不直接操作 PLC 地址。信号名称在配置文件中定义。
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```
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XP.Hardware.MotionControl
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└── 依赖注入 → ISignalDataService（XP.Hardware.PLC）
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└── 读：GetValueByName<float>("MC_SourceZ_Pos")
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└── 写：EnqueueWrite("MC_SourceZ_Target", value)
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```
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## 6. 配置文件设计（App.config）
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```xml
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<MotionControl>
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<!-- 直线轴配置（单位：mm） -->
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<SourceZ Min="0" Max="500" Origin="0"
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PlcSignalRead="MC_SourceZ_Pos" PlcSignalWrite="MC_SourceZ_Target"
|
||
PlcSignalJogPos="MC_SourceZ_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_SourceZ_JogNeg"
|
||
PlcSignalHome="MC_SourceZ_Home" PlcSignalStop="MC_SourceZ_Stop" />
|
||
<DetectorZ Min="0" Max="600" Origin="0"
|
||
PlcSignalRead="MC_DetZ_Pos" PlcSignalWrite="MC_DetZ_Target"
|
||
PlcSignalJogPos="MC_DetZ_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_DetZ_JogNeg"
|
||
PlcSignalHome="MC_DetZ_Home" PlcSignalStop="MC_DetZ_Stop" />
|
||
<StageX Min="-150" Max="150" Origin="0"
|
||
PlcSignalRead="MC_StageX_Pos" PlcSignalWrite="MC_StageX_Target"
|
||
PlcSignalJogPos="MC_StageX_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_StageX_JogNeg"
|
||
PlcSignalHome="MC_StageX_Home" PlcSignalStop="MC_StageX_Stop" />
|
||
<StageY Min="-150" Max="150" Origin="0"
|
||
PlcSignalRead="MC_StageY_Pos" PlcSignalWrite="MC_StageY_Target"
|
||
PlcSignalJogPos="MC_StageY_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_StageY_JogNeg"
|
||
PlcSignalHome="MC_StageY_Home" PlcSignalStop="MC_StageY_Stop" />
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||
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||
<!-- 旋转轴配置（单位：度） -->
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<DetectorSwing Min="-45" Max="45" Origin="0" Enabled="true"
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PlcSignalRead="MC_DetSwing_Angle" PlcSignalWrite="MC_DetSwing_Target"
|
||
PlcSignalJogPos="MC_DetSwing_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_DetSwing_JogNeg"
|
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PlcSignalHome="MC_DetSwing_Home" PlcSignalStop="MC_DetSwing_Stop" />
|
||
<StageRotation Min="-360" Max="360" Origin="0" Enabled="true"
|
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PlcSignalRead="MC_StageRot_Angle" PlcSignalWrite="MC_StageRot_Target"
|
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PlcSignalJogPos="MC_StageRot_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_StageRot_JogNeg"
|
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PlcSignalHome="MC_StageRot_Home" PlcSignalStop="MC_StageRot_Stop" />
|
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<FixtureRotation Min="-90" Max="90" Origin="0" Enabled="false"
|
||
PlcSignalRead="MC_FixRot_Angle" PlcSignalWrite="MC_FixRot_Target"
|
||
PlcSignalJogPos="MC_FixRot_JogPos" PlcSignalJogNeg="MC_FixRot_JogNeg"
|
||
PlcSignalHome="MC_FixRot_Home" PlcSignalStop="MC_FixRot_Stop" />
|
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||
<!-- 安全门配置 -->
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<SafetyDoor PlcSignalOpen="MC_Door_Open"
|
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PlcSignalClose="MC_Door_Close"
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PlcSignalStop="MC_Door_Stop"
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PlcSignalStatus="MC_Door_Status"
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||
PlcSignalInterlock="MC_Door_Interlock" />
|
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||
<!-- 几何原点（绝对坐标 mm，用于 FOD/FDD 计算） -->
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<Geometry SourceZOrigin="0"
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DetectorZOrigin="600"
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StageRotationCenterZ="300" />
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||
<!-- 轮询周期（ms） -->
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<PollingInterval>100</PollingInterval>
|
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||
<!-- 运动速度（%，0-100） -->
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<DefaultVelocity>30</DefaultVelocity>
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||
<JogVelocity>10</JogVelocity>
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</MotionControl>
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```
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## 7. ViewModel 设计
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### 7.1 属性分组
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```csharp
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// 直线轴（每轴一组实际值 + 目标值）
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double SourceZActual / SourceZTarget
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double DetectorZActual / DetectorZTarget
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double StageXActual / StageXTarget
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double StageYActual / StageYTarget
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// 旋转轴（每轴一组，可选轴按配置控制 Visibility）
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double DetSwingActual / DetSwingTarget // 附带角度限制提示文本
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double StageRotActual / StageRotTarget
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double FixtureRotActual / FixtureRotTarget
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// 几何信息（实时计算，只读显示）
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double FOD / FDD / Magnification
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// 几何反算输入
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double TargetFOD / TargetFDD / TargetMagnification
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// 安全门
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DoorStatus DoorStatus
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bool IsInterlocked
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// 状态
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bool IsMoving
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bool IsPlcConnected
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// 调试模式（默认 false，折叠隐藏调试区域）
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bool IsDebugMode
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```
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### 7.2 命令列表
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```csharp
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// 主操作命令
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ICommand MoveCommand // 执行运动到各轴目标位置
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ICommand StopCommand // 停止所有轴
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ICommand HomeCommand // 全部回零
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ICommand OpenDoorCommand
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ICommand CloseDoorCommand
|
||
ICommand StopDoorCommand
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ICommand ApplyGeometryCommand // 根据 FOD/FDD/M 反算并移动
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||
// 调试命令（Jog，按住触发，松开停止）
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ICommand JogPlusCommand // 参数：AxisId
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ICommand JogMinusCommand // 参数：AxisId
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||
ICommand JogStopCommand // 参数：AxisId
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```
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## 8. View 布局设计（宽 350px，UserControl）
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```
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┌─────────────────────────────────────┐ 350px
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│ [安全门状态] ● 已关闭 [互锁: 正常] │
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├─────────────────────────────────────┤
|
||
│ 直线轴 │
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||
│ 源Z [实际: 123.4mm] [▲目标▼] │
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||
│ 探Z [实际: 456.7mm] [▲目标▼] │
|
||
│ 台X [实际: 12.3mm] [▲目标▼] │
|
||
│ 台Y [实际: -5.6mm] [▲目标▼] │
|
||
├─────────────────────────────────────┤
|
||
│ 旋转轴 │
|
||
│ 探摆 [实际: 15.0°] [▲目标▼] │
|
||
│ 限制: -45° ~ +45° │
|
||
│ 台转 [实际: 180.0°] [▲目标▼] │
|
||
│ 夹具 [实际: 0.0°] [▲目标▼] │
|
||
├─────────────────────────────────────┤
|
||
│ 几何信息 │
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||
│ FOD: 150.0mm FDD: 450.0mm M: 3.0│
|
||
│ [目标FOD▲▼] [目标FDD▲▼] [应用] │
|
||
├─────────────────────────────────────┤
|
||
│ [开始运动] [停止运动] [回零] │
|
||
│ [开门] [关门] │
|
||
├─────────────────────────────────────┤
|
||
│ ▼ 调试模式（默认折叠） │
|
||
│ 源Z [+Jog][-Jog] 探Z [+][-] │
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||
│ 台X [+Jog][-Jog] 台Y [+][-] │
|
||
│ 探摆 [+Jog][-Jog] 台转[+][-] │
|
||
│ 夹具 [+Jog][-Jog] │
|
||
└─────────────────────────────────────┘
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```
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## 9. FOD/FDD 反算逻辑
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用户输入目标 FOD 和 FDD（或放大倍率 M），系统自动计算各轴目标位置：
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```
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// 已知：StageRotationCenterZ（旋转中心绝对Z坐标，来自配置，固定值）
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// 输入 FOD + FDD：
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SourceZ_target = StageRotationCenterZ - FOD
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DetectorZ_target = SourceZ_target + FDD
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// 输入 FOD + M（M = FDD/FOD）：
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FDD = M * FOD
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||
DetectorZ_target = SourceZ_target + FDD
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||
// 边界检查：
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||
if SourceZ_target < SourceZ.Min || SourceZ_target > SourceZ.Max → 拒绝并提示
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||
if DetectorZ_target < DetectorZ.Min || DetectorZ_target > DetectorZ.Max → 拒绝并提示
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||
```
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## 10. 关键安全机制
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参考旧项目 `ControlDoor.openDoor()` 和 `_130kvMove` 的实现经验：
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| 机制 | 说明 | 对标旧代码 |
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|------|------|-----------|
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||
| 运动中防重入 | `IsMoving` 标志位，运动中禁止再次触发运动命令 | `fdcRun` 标志位 |
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||
| 开门联锁检查 | 开门前通过 `IEventAggregator` 检查是否有扫描进行中 | `ControlDoor.openDoor()` 前置逻辑 |
|
||
| 射线源联锁 | 开门前需确认射线源已关闭（暂不实现，预留扩展点，见下方说明） | `zeroXray2Correct()` 等待归零 |
|
||
| 可选轴隐藏 | `StageRotation` 和 `FixtureRotation` 通过配置 `Enabled` 控制 UI 可见性 | 无对应，新增 |
|
||
| Jog 安全 | Jog 操作通过 `MouseDown/Up` 事件控制，松开立即停止 | `radButton3_MouseDown/Up` |
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||
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---
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||
## 11. Prism 模块注册
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||
```csharp
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||
// MotionControlModule.RegisterTypes()
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||
containerRegistry.RegisterSingleton<MotionControlConfig>(); // 配置（单例）
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||
containerRegistry.RegisterSingleton<IMotionSystem, PlcMotionSystem>(); // 系统管理（单例）
|
||
containerRegistry.RegisterSingleton<IMotionControlService, MotionControlService>(); // 服务（单例）
|
||
|
||
// MotionControlModule.OnInitialized()
|
||
// 注册多语言资源到 Fallback Chain
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||
// 启动 PLC 轮询（若 PLC 已连接）
|
||
```
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||
---
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---
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||
## 12. 关于射线源联锁的扩展说明（暂不实现）
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### 12.1 什么是事件聚合器（EventAggregator）
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Prism 的 `IEventAggregator` 是一个**发布/订阅总线**，用于在模块之间传递消息，而不需要两个模块直接互相引用。
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||
类比理解：就像一个广播电台，`RaySource` 模块是"电台"（发布者），`MotionControl` 模块是"收音机"（订阅者），两者只通过"频道"（事件类型）通信，彼此不知道对方的存在。
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||
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||
```
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||
XP.Hardware.RaySource XP.Hardware.MotionControl
|
||
│ │
|
||
│ 发布 RaySourceStatusChangedEvent │
|
||
└──────────→ EventAggregator ──────→ 订阅并响应
|
||
```
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||
|
||
### 12.2 如何订阅（当需要实现时）
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||
|
||
**第一步：RaySource 模块已有的事件定义**
|
||
|
||
```csharp
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||
// XP.Hardware.RaySource/Abstractions/Events/RaySourceStatusChangedEvent.cs
|
||
// 该事件已存在，携带射线源当前状态
|
||
public class RaySourceStatusChangedEvent : PubSubEvent<RaySourceStatus> { }
|
||
```
|
||
|
||
**第二步：MotionControlService 中注入并订阅**
|
||
|
||
```csharp
|
||
public class MotionControlService : IMotionControlService
|
||
{
|
||
private readonly IEventAggregator _eventAggregator;
|
||
private bool _isRaySourceOn = false; // 缓存射线源状态
|
||
|
||
public MotionControlService(IEventAggregator eventAggregator, ...)
|
||
{
|
||
_eventAggregator = eventAggregator;
|
||
|
||
// 订阅射线源状态变化事件
|
||
_eventAggregator
|
||
.GetEvent<RaySourceStatusChangedEvent>()
|
||
.Subscribe(OnRaySourceStatusChanged, ThreadOption.BackgroundThread);
|
||
}
|
||
|
||
private void OnRaySourceStatusChanged(RaySourceStatus status)
|
||
{
|
||
// 根据状态判断射线是否开启
|
||
_isRaySourceOn = (status == RaySourceStatus.XRayOn);
|
||
}
|
||
|
||
public async Task OpenDoor()
|
||
{
|
||
// 开门前检查射线源
|
||
if (_isRaySourceOn)
|
||
{
|
||
_logger.Warn("射线源未关闭，禁止开门 | Ray source is on, door open blocked");
|
||
return;
|
||
}
|
||
// ... 继续开门逻辑
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
**第三步：注意事项**
|
||
|
||
- 订阅时选择 `ThreadOption.BackgroundThread`，避免在 UI 线程处理硬件状态
|
||
- 模块卸载时需要取消订阅，防止内存泄漏：`GetEvent<...>().Unsubscribe(OnRaySourceStatusChanged)`
|
||
- 两个模块之间**不需要互相引用**，只需要共同引用定义事件的程序集（或在各自模块内定义相同结构的事件）
|
||
|
||
### 12.3 预留扩展点
|
||
|
||
当需要实现射线源联锁时，只需在 `MotionControlService.OpenDoor()` 方法开头加入上述订阅逻辑即可，不需要修改任何其他代码。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 13. 事件定义（Prism EventAggregator）
|
||
```
|
||
Abstractions/Events/
|
||
├── AxisStatusChangedEvent.cs # 轴状态变化事件（AxisId + AxisStatus）
|
||
├── DoorStatusChangedEvent.cs # 门状态变化事件（DoorStatus）
|
||
├── GeometryUpdatedEvent.cs # 几何参数更新事件（FOD + FDD + M）
|
||
└── MotionErrorEvent.cs # 运动错误事件（AxisId + 错误信息）
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 13. 实现优先级建议
|
||
|
||
| 优先级 | 内容 |
|
||
|--------|------|
|
||
| P0 | 配置实体、枚举定义、MotionResult |
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| P0 | ILinearAxis / IRotaryAxis / ISafetyDoor 接口 + 抽象基类 |
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| P1 | PlcLinearAxis / PlcRotaryAxis / PlcSafetyDoor 实现 |
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| P1 | GeometryCalculator |
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| P1 | IMotionControlService + MotionControlService（含轮询） |
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| P2 | MotionControlViewModel |
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| P2 | MotionControlView.xaml（宽350 UserControl） |
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| P3 | MotionControlModule 注册 |
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| P3 | 多语言资源文件 |
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