PC機(jī)對(duì)西門子設(shè)備測(cè)試調(diào)整的接口設(shè)計(jì)與制作

虞靖彬

山東中醫(yī)藥大學(xué) 設(shè)備處，山東 濟(jì)南250355

PC機(jī)對(duì)西門子設(shè)備測(cè)試調(diào)整的接口設(shè)計(jì)與制作

虞靖彬

山東中醫(yī)藥大學(xué) 設(shè)備處，山東 濟(jì)南250355

為方便使用PC機(jī)對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行測(cè)試與調(diào)整，本文利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)串行通訊技術(shù)，著重研究了PC機(jī)通用的RS232接口及西門子醫(yī)療設(shè)備的晶體管-晶體管邏輯接口功能，并對(duì)兩者之間的電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)匹配進(jìn)行了詳實(shí)的描述和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出PC機(jī)與西門子設(shè)備連接的接口電路，用PT510仿真軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)西門子設(shè)備的測(cè)試和調(diào)整。總之，本設(shè)計(jì)很好地解決了用PC機(jī)與醫(yī)療設(shè)備通訊的問題，臨床維修工程師可以方便地將仿真軟件裝入到PC機(jī)中，隨時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，使得檢測(cè)和維修更加方便快捷。

串行通訊；接口電路；電平轉(zhuǎn)換；醫(yī)療設(shè)備

引言

西門子醫(yī)療設(shè)備種類眾多，用途各異。每種設(shè)備組成部分比較復(fù)雜，且都有其相應(yīng)的測(cè)試手段和方法。通過(guò)這些手段，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)問題，我們就能方便快捷判斷出故障，并進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整[1-6]。PT510作為其中的一種專用測(cè)試終端，可以測(cè)試一些設(shè)備的組成部分，如西門子數(shù)字減影的C型臂部分coroskop、Somatom DR CT機(jī)的高壓Micomatic[7]。如果在PC機(jī)上裝有仿真軟件，通過(guò)設(shè)計(jì)出PC機(jī)與這些設(shè)備的接口電路，就能為維修工程師提供簡(jiǎn)便快捷的檢測(cè)調(diào)整手段[8-10]。本文利用計(jì)算機(jī)串行通訊技術(shù)，在現(xiàn)成PT510仿真軟件前提下，設(shè)計(jì)出PC機(jī)與C型臂coroskop的接口電路，完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳送。

1 設(shè)計(jì)思路及方法

本文主要解決的問題是用PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)西門子DRG/ DRH/CT等設(shè)備高壓部分測(cè)試與調(diào)整。但由于PC機(jī)與醫(yī)療設(shè)備端接口不同，PC機(jī)是9針接口，而設(shè)備端是15針接口，PC機(jī)接口板通常用RS232進(jìn)行通訊，而醫(yī)療設(shè)備接口電路多為單片機(jī)，采用晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic，TTL）方式進(jìn)行通訊，兩者無(wú)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的相連，要實(shí)現(xiàn)以上功能，首先要設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路，保證PC機(jī)與醫(yī)療設(shè)備信號(hào)的正確傳輸控制，達(dá)到測(cè)試與調(diào)整目的。

根據(jù)以上思路，我們可以知道由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者對(duì)接時(shí)，須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。PC機(jī)與設(shè)備單板機(jī)之間的串行異步通訊采用RS232接口電路實(shí)現(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)的串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)镽S232邏輯電子對(duì)地是對(duì)稱的， 其邏輯“1”電平為（-5～-15）V之間，邏輯電平“0”為（+5～+15）V之間，其與單片機(jī)的邏輯電平不一致，須進(jìn)行電子轉(zhuǎn)換。

由此分析，我們可以先設(shè)計(jì)出接口電路的原理線路：PC機(jī)-PC機(jī)接口電路-電平轉(zhuǎn)換電路-醫(yī)療設(shè)備接口電路-醫(yī)療設(shè)備。

本接口電路的工作原理是把PC機(jī)的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，再進(jìn)行電平匹配，加上設(shè)備特性需要的接口，在設(shè)備內(nèi)部經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成TTL電平，通過(guò)異步通信接口適配器，實(shí)現(xiàn)與醫(yī)療設(shè)備的通訊。具體電路可以包含以下幾個(gè)部分：

（1）PC接口電路：PC機(jī)接口為9針串口，為標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，為實(shí)現(xiàn)與外部電路的接口，可以通過(guò)專門的RS232接口電路實(shí)現(xiàn)。

（2）電平轉(zhuǎn)換匹配電路：把計(jì)算機(jī)的電平轉(zhuǎn)換成醫(yī)療設(shè)備需要的電平。

（3）設(shè)備接口電路：PT510與醫(yī)療設(shè)備均為15針的接口，兩者也需要一致的接口特性電路。

在計(jì)算機(jī)串行通訊技術(shù)中，通常采用MAX232芯片可分別實(shí)現(xiàn)TTL～RS232和RS232～TTL之間的電平轉(zhuǎn)換。

2 電路設(shè)計(jì)與分析

要更好地完成電路設(shè)計(jì)，需對(duì)每一組成部分電路進(jìn)行詳細(xì)分析，從而找到實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能及信號(hào)匹配的辦法。

2.1 P C接口電路

通常此電路都選擇專用的RS232接口電平轉(zhuǎn)換集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如MAX232、HIN232等[11-13]。在這里，我們采用常用的MAX232（圖1）來(lái)解決。MAX232是一種雙組EIA-232驅(qū)動(dòng)器接收器，片內(nèi)含電容性電壓發(fā)生器，可在單5 V電源供電時(shí)提供EIATIA-232-E電平。每個(gè)接收器將EIATIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5 V的TTLCMOS電平[14]。

TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。

由于芯片內(nèi)部有自升壓的電平倍增電路，將5 V轉(zhuǎn)換成（-10～+10）V，滿足RS-232C的邏輯“1”和邏輯“0”的電平要求。

工作時(shí)僅需單一的+5 V電源。其片內(nèi)有兩個(gè)發(fā)送器，兩個(gè)接收器，有TTL信號(hào)輸入/RS-232C輸出的功能，也有RS-232C輸入/TTL輸出的功能。該芯片與TTL/CMOS電平兼容，使用比較方便。

圖1 MAX232內(nèi)部原理圖

使用MAX232實(shí)現(xiàn)TTL/RS-232C之間的電平轉(zhuǎn)換示意電路，見圖2。

圖2 MAX232的電平轉(zhuǎn)換示意圖

2.2 設(shè)備內(nèi)部電路分析

西門子設(shè)備接口電路板里面大部分采用MC68B50異步通信接口適配器和緩沖驅(qū)動(dòng)放大器ua9636a、ua9637a實(shí)現(xiàn)通信控制和輸入輸出驅(qū)動(dòng)。下面是其內(nèi)部電路簡(jiǎn)要分析。

2.2.1 設(shè)備內(nèi)部電路信號(hào)傳輸

（1）設(shè)備內(nèi)部信號(hào)發(fā)射電路。MC68B50（TTL電平）信號(hào)TXD（邏輯電平為“1”）通過(guò)pin6-＞經(jīng)驅(qū)動(dòng)i40（ua9636a）的pin2腳-＞i40的pin7-＞電阻R23-＞三極管v4 （bc327）的b極-＞電阻R22-＞接口K39的pin7-＞接口電路PT510的RXD+，其中接口K39的pin2與PT510的RXD-同時(shí)接GND。

（2）設(shè)備內(nèi)部信號(hào)接收電路。接口電路PT510的TXD+信號(hào)經(jīng)接口K39的pin13-＞設(shè)備內(nèi)部驅(qū)動(dòng)i38（ia9637a） 的pin5-＞i38（ia9637a） 的pin3-＞MC68B50接收信號(hào)RXD的pin2,其中電源正端V+接PT510的pin6和pin11，電源負(fù)端接V-接PT510的pin9（TXD-）。

2.2.2 PT510維修終端DB15的各接口定義

為了知道如何將設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路接口更好地與PT510的DB15接口之間相連，我們需知道PT510維修終端DB15的各接口定義如下：

1-SCREEN GND；2-RXD-；3-Vcc；4-SPARE；5-CHASSIS GND；6-PULL+；7-RXD+；8-SCREEN GND；9-TXD-；10-SPARE；11-PULL-；12-RXD-；13-TXD+；14-Vcc；15-CHASISS GND。

2.2.3 設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電路的分析及對(duì)PT510終端和設(shè)備各個(gè)管腳的功能了解，可按以下思路進(jìn)行接口電路DB15各接口連接，DB15的pin1、5、8、15接地（GND）,轉(zhuǎn)換接口電路部分GND接DB15的pin8；Vcc接接口電路pin3；pin6-pin11；轉(zhuǎn)換接口電路的TXD分別接DB15的pin7 (+)、pin2 (-)；轉(zhuǎn)換接口電路的TXD分別接DB15的RXD：pin13 (+)、pin9 (-)。

2.2.4 信號(hào)發(fā)射電路外圍電路

為了減少輸入與輸出之間信號(hào)的干擾，信號(hào)發(fā)射電路部分可以用光耦實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出[15]。信號(hào)發(fā)射電路外圍電路圖pin7 (+)、pin2 (-)，見圖3。

圖3 信號(hào)發(fā)射電路外圍電路圖

2.2.5 信號(hào)接收電路外圍電路

為保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確和及時(shí)性，信號(hào)接收電路部分可以用高頻開關(guān)管連接實(shí)現(xiàn)[16]。信號(hào)接收電路外圍電路圖pin13 (+)、pin9 (-)，見圖4。

圖4 信號(hào)接收電路外圍電路圖

2.3 電平匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，為更好實(shí)現(xiàn)電平匹配，電路可按以下思路設(shè)計(jì)：設(shè)備信號(hào)發(fā)射電路部分無(wú)需增加相應(yīng)電路就實(shí)現(xiàn)了電平匹配；設(shè)備信號(hào)接收電路部分需增加幾個(gè)高速開關(guān)管，才能實(shí)現(xiàn)電平匹配。

2.4 接口電路原理分析

綜合以上分析，具體接口設(shè)計(jì)電路，見圖5。為進(jìn)一步驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)電路及電位的分析情況如下。

2.4.1 電路分析

（1）PC發(fā)送信號(hào)。MAX232實(shí)現(xiàn)了RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平（pin11/MAX232），因?yàn)樵O(shè)備接口三極管T3需要其c、e極懸空（有上拉、下拉電源），所以必須加上e極接地的三極管T1，但這樣將導(dǎo)致電平相反，加上T2就可實(shí)現(xiàn)電平匹配。電阻的選擇為達(dá)到低功耗需要，同時(shí)不影響這3個(gè)高速開關(guān)管的開關(guān)特性。二極管D1為減少干擾。pin6/PT510（DB15）與pin11/DB15相連，是為了信號(hào)發(fā)送上拉、下拉電源形成回路。

（2）PC接收信號(hào)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)輸出通過(guò)光耦器件4N35輸出，一是通過(guò)光耦隔離輸出，減少輸入與輸出之間干擾，二者實(shí)現(xiàn)了電平匹配，簡(jiǎn)單實(shí)用。

2.4.2 整個(gè)信號(hào)傳輸?shù)碾娢环治?/p>

（1）PC發(fā)送信號(hào)。PC電平“1”經(jīng)DB9接口pin3-＞的pin13-＞經(jīng)非門轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換集成電路（MAX232）的pin12成“0”電平-＞T1截止-＞T2的C極為高電平“1”-＞T3導(dǎo)通，C極為低電平-＞DB10的10腳（即PT510的的TXD信號(hào)）為低電平“0”-＞設(shè)備內(nèi)部電路i38（ia9637a）的pin5-＞i38的pin3轉(zhuǎn)為高電平“1”-＞MC68B50（TTL電平）pin2（RXD）為“1”。

（2） PC接收信號(hào)。MC68B50（TTL電平）的pin6（TXD）為“1”-＞i40（ia9636a）的pin2-＞i40的pin7輸出為“0”-＞v4（bc327）的c端輸出為“1”-＞K39（RXD+/PT510）的pin7輸出為“1”-＞光耦I(lǐng)C2導(dǎo)通-＞電平轉(zhuǎn)換集成電路（MAX232）pin11輸入為“1”-＞MAX232的pin14輸出為“1”（-3V）-＞DB9的pin2為“1”（-3V）-＞PC機(jī)。

圖5 接口電路圖

由此可以看出，由PC端發(fā)送到設(shè)備接收端的電平匹配沒問題。通過(guò)該接口電路，PC機(jī)和醫(yī)療設(shè)備之間可以正常通訊。

2.5 電路制作及應(yīng)用

根據(jù)實(shí)際電路圖，結(jié)合通用集成電路速查手冊(cè)，確定所用集成塊的型號(hào)及各管腳功能，根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，確定以下材料：9母針插頭一個(gè)；15針公插頭一個(gè)；5 m網(wǎng)線；一塊7 cm×5.5 cm印刷電路板；集成塊MAX232、4N35及相應(yīng)的集成塊座各一個(gè)；5個(gè)10 uF電容；電阻：1、3.3、4.7、5.6、10 K各一個(gè)，150 Ω兩個(gè)；高速開關(guān)三極管：BC546兩個(gè)、BC557一個(gè)。

確定好公共電源和地的分布，在電路板上插上各個(gè)元件，對(duì)著電路圖分別進(jìn)行核對(duì)，以減少連線、就近為原則，反復(fù)調(diào)整，最后焊接、修整、連外界線和插頭。

本接口電路做好后，連在西門子數(shù)字減影C型臂部分Coroskop上，接上PC機(jī)，運(yùn)行PT510終端仿真軟件，設(shè)置通訊特性參數(shù)，然后觸發(fā)聯(lián)機(jī)，顯示出設(shè)備單板控制機(jī)的軟件版本信息，進(jìn)行軟件測(cè)試和機(jī)器調(diào)整，一切運(yùn)行正常，說(shuō)明該電路能正常實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。該電路與西門子Micromatic CT高壓部分、Digicam相機(jī)連接都能實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)檢測(cè)。

3 結(jié)論和討論

此次設(shè)計(jì)是針對(duì)醫(yī)療放射設(shè)備與PC機(jī)進(jìn)行信號(hào)通訊所進(jìn)行的硬件設(shè)計(jì)。電路的設(shè)計(jì)涉及醫(yī)用放射設(shè)備工作的基本原理、計(jì)算機(jī)通訊、數(shù)字電路及電子電路基礎(chǔ)等基本知識(shí)。電路中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)中常采用的單片機(jī)與PC機(jī)互相通信所用電平轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)設(shè)計(jì)，很好地解決了用PC機(jī)與醫(yī)療設(shè)備通訊的問題，臨床維修工程師可以方便地將仿真軟件裝入到PC機(jī)中，隨時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，使得檢測(cè)和維修更加方便快捷。

需要注意的是，由于設(shè)備內(nèi)部電路不同，轉(zhuǎn)換電路所用的外圍電路會(huì)有所不同，實(shí)際運(yùn)用中，針對(duì)不同品牌醫(yī)療設(shè)備，應(yīng)對(duì)設(shè)備的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，找清各路信號(hào)的來(lái)龍去脈，然后采用具體的電路進(jìn)行匹配，如果生搬硬套某一個(gè)電路，很可能會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)之間的不匹配，從而不能達(dá)到預(yù)期效果，更有甚者會(huì)損壞設(shè)備的內(nèi)部電路。

接口線路板的制作，涉及的電子元件比較多，在選擇電子元件的時(shí)候，應(yīng)計(jì)算好元件的功率、電流等參數(shù)，可利用《通用集成電路速查手冊(cè)》等工具書來(lái)選擇。同時(shí)，由于外圍的電子元件種類多，所以制作時(shí)候要設(shè)計(jì)好元件的位置和布線，避免接線錯(cuò)誤，同時(shí)調(diào)試的時(shí)候除用萬(wàn)用表測(cè)試，同時(shí)還需用示波器等檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試后再與設(shè)備相連，避免對(duì)醫(yī)療設(shè)備電路造成損害。

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本文編輯 袁雋玲

Design and Manufacture of Interface Circuit for PC to Adjust Siemens Device

Y U J i n g-b i n

Department of Equipment, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355, China

In order to facilitate the use of PC to test and adjust medical equipment, the present performed a research based on the existing computer serial communication technology. In this study, the commonly used interface circuit RS232 of the PC and the transistor-transistor logic interface circuit of Siemens medical equipment were chosen to conduct this research. The conversion and signal matching of them were described and designed in detail. Finally, an interface circuit that could connected PC with Siemens device was designed, and PT510 simulation software was used to test and adjust the interface circuit in Siemens device. In a word, this design can successfully solve the connecting problem between the PC and the medical device. The clinical maintenance engineer can detect the equipment at any time via loading the simulation software into the PC, which makes the detection and maintenance more conveniently and quickly.

serial communications; interface circuit; level transformation; medical device

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.009

1674-1633(2017)07-0031-04

2016-11-30

2017-01-02

作者郵箱：15866700768@163.com