电子设备探头扩展装置及主机对扩展探头的控制方法

专利名称：电子设备探头扩展装置及主机对扩展探头的控制方法
电子设备探头扩展装置及主机对扩展探头的控制方法技术领域：
本发明涉及一种电路装置及控制方法，特别涉及一种用于电子设备的 探头扩展装置的结构与相关的控制方法。背景技术：
现有技术中， 一些电子设备，例如便携式超声诊断设备，由于其自身 轻便性的要求和结构的特点，在主机设备上只有一个超声探头的插座。这 样的结构增加了医生使用超声设备过程中更换超声探头的频次，使超声探 头插头在操作过程中受损的可能性增大。因此出现了针对便携式超声诊断 设备的探头扩展装置，被用于增加系统的探头接口，这种扩展装置能够一 定程度上减少探头的更换，避免损坏。
超声诊断系统对于探头相关的操作是主机系统实时查询连接到超声 诊断系统的探头状态信号，通过一定的接口选择性读取探头信息，获知探 头的型号，并进行工作探头的切换和参数的配置。对于支持多个探头同时 连接的探头扩展装置，要求其能够实现探头状态的区分、探头信息的读取 以及工作探头的切换等功能。目前类似的实现方案如图l所示，其实现方 式如下 '
使用高压开关切换探头的发射/接收信号，用CPLD (复杂可编程逻辑
器件)控制高压开关。用开关电路控制工作探头的选择，开关信号接到CPLD 上，CPLD解析开关的选择，并选择相对应的高压开关进行工作，使第一探 头插座或第二探头插座上的探头发射/接收信号与主机连接。
第一探头插座的探头信息、第二探头插座的探头信息、板卡信息等信 号线都直接连到主机上，主机可以随时读取信息，并进行相应的识别。
两个探头插座的在位指示信号都接到CPLD上，根据开关选择的不同， 由CPLD产生相应的工作探头指示信号，主机根据该信号判断工作探头并执 行针对性的操作。
包括上述方案的现有技术的探头扩展装置，其工作探头的切换，依靠 手动操作扩展装置上的开关，不能通过主机自动切换；各个探头的编码信 号直接连到主机上，系统的可扩充性不好，并且接口信号的灵活性差；工 作探头的异常情况依靠操作人员根据自身的判断作相应处理，不能通过主机系统自动查询并进行保护，容易造成处理的错误，损坏系统接口。
其次，由于使用高压开关，系统需要为高压开关提供正、负两组高压
电源，同时板上其它器件需要另一组工作电源，因此系统需要提供三组电
源。高压电源的外接，容易造成操作人员触电的危险情况；而且高压开关
价格昂贵，使整个模块的造价较贵。
另外，现有的探头扩展装置体积大，不利于在操作台上摆放。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种主机自主控制程度高、更为安全可靠 的电子设备探头扩展装置及主机对扩展探头的控制方法。
为实现上述目的，本发明提出一种电子设备探头扩展装置，包括控制 器、探头信号切换电路、第一探头插座、第二探头插座、探头扩展装置插 头；所述第一探头插座、第二探头插座的发射/接收端分别与所述探头信号 切换电路连接；所述第一探头插座、第二探头插座的通讯接口分别与所述 控制器连接；所述控制器分别输出控制信号连接所述探头信号切换电路控 制端、第一探头插座和第二探头插座的电源使能端，控制所述探头信号切 换电路信号切换、第一探头插座和第二探头插座的上电；所述探头信号切 换电路的发射/接收端连接所述探头扩展装置插头，所述控制器设有一通讯 接口连接所述探头扩展装置插头。
上述的电子设备探头扩展装置，所述探头信号切换电路包括继电器、 继电器控制模块，所述控制器输出控制信号连接所述继电器控制模块控制 端，所述继电器与所述继电器控制模块连接。
上述的电子设备探头扩展装置，还包括低压差稳压器，用于给所述控 制器、探头信号切换电路、第一探头插座、第二探头插座提供工作电压； 所述控制器输出电源使能信号控制所述低压差稳压器向所述第一探头插 座、第二探头插座供电。
上述的电子设备探头扩展装置，所述控制器设有一探头状态中断信号 端连接所述探头扩展装置插头；用于当所述控制器检测到探头在位状态信 号中断时，向电子设备主机发出中断信号，由主机停止向探头发射信号。
上述的电子设备探头扩展装置，所述主体包括扣板A和扣板B;所述控 制器、探头信号切换电路布设于扣板A，所述第一探头插座、第二探头插 座安装于扣板B，所述扣板A与扣板B通过连接插座组相扣接并实现电连接。所述连接插座组包括A连接插座组、B连接插座组；所述A连接插座 组包括二对板到板插座，用于实现第一探头插座与探头信号切换电路的电
连接；所述B连接插座组包括二对板到板插座，用于实现第二探头插座与 探头信号切换电路的电连接。前述的电子设备探头扩展装置，所述探头信 号切换电路部分设于所述A连接插座组的二个插座之间，部分设于所述B 连接插座组的二个插座之间；所述扣板A还设置有用于连接发射/接收信号 电缆的发射/接收信号插座；该发射/接收信号插座至所述探头信号切换电 路、所述探头信号切换电路至所述A连接插座组的二个插座的信号走线构 成T型或近似T型；该发射/接收信号插座至所述探头信号切换电路、所述 探头信号切换电路至所述B连接插座组的二个插座的信号走线构成T型或 近似T型。
一种电子设备主机对扩展探头的控制方法，包括对探头信息的读取步
骤
1) 通过探头扩展装置的控制器查询探头在位状态；
2) 通过控制器对欲进行信息读取的探头发出电源使能信号，给相应探 头供电。
3) 选通相对应探头的通讯接口，读取探头信息；
4) 主机判断是否探头信息读取完成，当主机确认探头信息读取完成之 后，给探头扩展装置的控制器发送探头去电命令，控制器控制探头 的电源使能信号，使相应探头去电。
上述的控制方法，还包括对探头拔插的处理流程探头扩展装置的控 制器根据探头在位状态的变化，产生中断信号；主机读取探头状态信息； 同时控制器复位中断信号；主机判断是否工作探头非法拔出，若是，则主 机关闭高压发射，若否，则主机保存探头状态信息。
上述的控制方法，还包括对接入探头的切换控制步骤通过探头扩展 装置的控制器控制探头信号切换电路的选通，选通接入探头的发射/接收端 与主机的连接。所述探头信号切换电路采用继电器作为探头发射/接收信号 的切换开关
上述的控制方法，所述主机对探头扩展装置的探头切换控制和探头信 息读取通过串行SPI通讯接口实现。
由于采用了以上的方案，首先，针对现有技术中探头选择和工作探头控制的缺点，本发明的探头扩展装置与主机设备之间实现接口通讯连接， 由探头扩展装置内部的控制器解析主机系统的命令，自动实现探头识别、
工作探头切换等功能；方便、可靠地进行各种功能的控制，操作自动化程 度高。
其次，针对现有技术中造价和安全的缺点，本发明采用继电器切换探 头的发射膽收信号，供电仅需使用单一的5V电源，性能稳定，抗干扰能力 强，且成本较为低廉；并且由于继电器自身器件的特性，使其对于高压的 发射信号和低压的接收信号都没有什么衰减，同时也不会引入信号的干扰; 而且由于无须使用高压电源，杜绝了高压触电的危险，使用更为安全可靠。 同时，操作自动化程度高，有利于保证系统使用的安全性。
另外，本发明中可以限定系统读操作的条件，如只有在系统解除冻结 或者探头在位状态变化的时候执行读探头信息的操作，在系统工作过程中， 进行读探头信息的操作将会很少，而控制器只在探头信息读取的过程中控 制给探头供电，可以允许探头在非工作状态随时拔插而不至于损坏器件， 保证了系统的灵活性和稳定性。
本发明所采用的系统结构，保证了中断响应的实时性，在工作中的探 头被异常拔出时，可及时关闭系统的高压发射信号，避免可能给操作人员
或者患者带来电击的危险，充分保证了系统使用中的安全性。
另外，本发明的装置，其主体采用二个扣板的结构方式，其中之一安装 电路，另一安装二个探头插座，使得结构更为紧凑，装置的体积可以设计得 更小，便于使用；同时，对于探头发射/接收信号的引接，通过连接插座的 分组与排列设计，使扣板A上的信号走向和信号回路得到优化，排列更规
则，可以有效的减小信号线间干扰，使本发明的装置性能更为稳定可靠。


图1是现有技术中一种探头扩展装置硬件原理框图； 图2是本发明所实现的探头扩展装置结构示意图； 图3是本发明硬件原理框图4是实施例一中探头扩展装置主体的扣板连接示意图； 图5是实施例一中探头扩展装置主体扣板B的硬件布局及信号连接关 系示意图6是实施例一中探头扩展装置主体扣板A的硬件布局及信号连接关系示意图7是本发明特定的SPI通讯方式的时序图； 图8是实施例一中探头信息读取流程图； 图9是实施例一中探头插拔的处理流程图10是实施例二的具有二级切换模式的探头扩展装置切换示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。 实施例一
请参考图2的结构示意图。本例的探头扩展装置，应用于超声诊断系 统，其硬件结构主要包括插头10、电源及控制电缆11、发射/接收信号电
缆12、主体13等几个部分，探头扩展装置的插头10与一般的探头插头接 口定义一致，使用时连接到超声诊断设备主机的探头插座上。
电源与控制信号共用一根电缆，系统的发射/接收信号单独使用一根电 缆，电缆均选用有屏蔽层的多芯电缆，保证装置具备良好的抗干扰能力， 且降低自身互扰。
探头扩展装置的主体实现装置的主要功能，相关的操作都由这部分控 制并实现。探头扩展装置的主体有三个探头插座，其中两个支持探头的工 作， 一个仅用于悬挂探头，既支持了多探头的扩展，又充分利用了结构的 空间，可以更多地保护探头。
请参考图3的主体硬件原理框图，本例的硬件设计主要包括以下几个部
分探头扩展装置的控制和信号切换在探头扩展装置主体扣板A上实现，包
括作为控制器的CPLD、低压差稳压器LDO、继电器控制模块和继电器组成的 探头信号切换电路、A连接插座组、B连接插座组。扣板B实现板上连接插座 组和探头插座之间的信号互连；包括第一探头插座、第二探头插座、第三 探头插座、A连接插座组、B连接插座组。
主机系统与探头扩展装置通过串行通讯接口通讯。当超声诊断设备的 探头插座直接插探头的时候，设备主机直接通过串行接口读取探头信息。 当超声诊断系统的探头插座接探头扩展装置的时候，设备主机通过串行接 口操作CPLD，由CPLD解析主机的命令，配合主机执行操作。主机根据探头 扩展装置在位信号的状态区分，分别进行不同的操作流程。探头A和探头B 的在位信号、通讯信号、板卡的编码都接到CPLD上，由CPLD根据系统的命令，选择相应的信息返给主机。CPLD根据探头在位信号的变化产生探头状 态中断信号，使主机可以及时处理各种异常情况，相关处理将结合图9进行 后续说明。
硬件系统采用两级控制的方式，即CPLD控制继电器控制模块；继电器 控制模块控制继电器。探头信号切换电路在低压差稳压器LDO的控制下工 作，并且由于继电器自身器件的特性，使其对于高压的发射信号和低压的 接收信号都没有什么衰减，同时也不会引入信号的干扰。
探头扩展装置只需要5V供电，在主机查询到探头扩展装置在位的情况 下，由主机通过探头接口提供。控制电路的工作电源3.3V，由5V通过低 压差稳压器LD0产生。继电器的工作电源直接由5V电源提供。探头A和探 头B所需的3. 3V电源，由CPLD根据系统命令产生相应的电源使能信号， 控制性地给第一探头插座、第二探头插座供电。
探头扩展装置主体采用扣板的连接方式，请参考图4扣板连接示意图。 扣板A和扣板B通过四对板到板插座6、 7、 8、 9连接，每一对插座包含公 座和母座两个插座，可以将128个探头阵元数均分为二个64脚插座来实现 连接，这样扣板A和扣板B上的插座、元器件的分布可以有更灵活的设计， 不致受到128脚插座的体积的局限。即如图3所示的第一探头插座采用二 个分别位于扣板A、扣板B上的A连接插座组引接，第二探头插座采用二 个分别位于扣板A、扣板B上的B连接插座组引接。第一探头插座l、第二 探头插座2为支持探头工作的插座，第三探头插座3只用于悬挂探头。电 源及控制插座4对应连接电源及控制电缆，发射/接收信号插座5对应连接 发射/接收信号电缆。
请参考图5所示，第一探头插座1与插座6A和插座8A信号互连；第二 探头插座2与插座7A和插座9A信号互连；这样使扣板B的PCB上走线长 度略有增加，但可以使扣板A上的插座之间信号关系更顺。扣板A上的插 座6B与插座7B之间的区域恰好可以放置它们对应信号的部分切换电路； 同样，如图6所示，扣板A上的插座8B与插座9B之间的区域恰好可以放 置它们对应信号的部分切换电路。板到板插座到探头信号切换电路的信号 ATRS、 BTRS和探头信号切换电路到发射/接收信号插座5的信号TRS，信号 走向恰好构成了特定的"T"型，这样使信号线在PCB板上的排列更规则， 可以有效的减小信号线间干扰。这样，当扣板A与扣板B相扣紧时，插座6A与插座6B相扣，插座7A与插座7B相扣，插座8A与插座8B相扣，插 座9A与插座9B相扣；相扣接的位置分布于扣板A与扣板B的外沿及中间， 受力较为均匀，使二者的扣接更为可靠；二板之间、插座之间的间隔可以 排布一些较小的元器件，主要电路排布于扣板A未安排插座的一面，探头 信号切换电路的继电器对称分布，使重量分布尽量均匀，更为稳定可靠。
电源和控制信号由插座4进入扣板A， CPLD等IC器件放置于插座4附 近，板卡的数字区域限定在电源及控制插座4周围，如图6所示的阴影区 域。发射/接收信号易受干扰，这些信号恰可以放置于数字区域之外的模拟 区域，这些信号到地的回路被限定到尽量短，信号不易受到干扰。
本例的探头扩展装置与主机通过串行SPI接口通讯。其时序图如图7 所示。片选信号SPI—nCS为低之后，操作开始有效，主机产生固定频率的 时钟信号SPI_CLK。SPI_IN信号是SPI主设备CPLD的输入信号，与SPI_CLK 信号同步，分为命令地址和命令内容两个时序段。SPI—OUT信号是SPI主 设备CPLD的输出信号，即探头扩展装置CPLD的输出信号，根据SPI—IN 的命令，返回相应的信息。CPLD发送完数据之后，主机会关闭SPI一CLK信 号，并将SP^nCS信号复位到高电平，至此SPI的一个操作周期结束。
SPI_IN信号分为两个时序段，增加了系统控制命令的容量，使CPLD 的命令响应主机，可以执行各类型操作命令，并且由于各类信息均接到 CPLD，主机可以方便的读取CPLD的各个状态寄存器，获取相应信息。
探头切换控制和探头信息读取都通过SPI接口实现，使得两个探头和 更多探头的操作方法类似，只需要更改SPI一IN信号的命令内容就可实现控 制的兼容，这样就使超声诊断设备可以支持更多探头的扩充。
探头信息的读取按照通讯接口的实现方式，很容易进行相关操作，其 操作流程大致如图8所示
1) 首先查询探头在位状态；
2) 对欲进行信息读取的探头进行上电控制，给相应探头内部IC供电；
3) 选通相对应探头的通讯接口，读取探头信息；
4) 主机判断是否探头信息读取完成，若是，则进行执行下述步骤5， 若否，则等待；5)当主机系统软件确认探头信息读取完成之后，给探头扩展装置的
CPLD发送探头去电命令，CPLD控制电源使能信号，相应探头去电， 结束操作。
CPLD只在探头信息读取的过程中给探头内部IC供电，在上述的读取 探头信息流程中，当主机系统软件确认探头信息读取完成之后，CPLD会给 相应探头去电，此后再实现高压发射或接收，避免对探头的控制电路造成 冲击。上述流程中限定了系统读操作的条件，如只有在系统解除冻结或者 探头在位状态变化的时候执行读探头信息的操作，在系统工作过程中，进 行读探头信息的操作将会很少，可以允许探头在非工作状态随时拔插而不 至于损坏器件，保证了系统的灵活性和稳定性。
本例的探头扩展装置，在探头拔插的时候，主机会立即进行处理，其 工作流程如图9所示
1) 探头拔插；
2) CPLD根据探头在位状态的变化，产生中断信号；
3) 主机读取探头状态信息；同时CPLD复位中断信号；
4) 主机判断是否工作探头非法拔出，若是，则主机关闭高压发射，若 否，则主机保存探头状态信息。
进行完上述的流程之后，主机会对扩展装置的CPLD发送命令，进行如 图8所示的流程，读取在位探头的信息，进行探头的识别。
工作中的探头异常拔出时，及时关闭系统的发射，避免了高压的发射 信号可能给操作人员或者患者带来电击的危险。本发明所采用的系统结构， 保证了中断响应的实时性，充分保证了系统使用中的安全性。
实施例二
本例中，布局方式和控制方法等原理与上例相同；如图IO所示，本例 增加第二级信号切换电路，可以实现4个探头插座的扩充。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。本发明采用其他 的通讯接口如lt，也可以提供类似的功能。
权利要求
1. 一种电子设备探头扩展装置，包括主体、探头扩展装置插头；所述主体上布设有控制器、探头信号切换电路、第一探头插座、第二探头插座；所述第一探头插座、第二探头插座的发射/接收端分别与所述探头信号切换电路连接；所述第一探头插座、第二探头插座的通讯接口分别与所述控制器连接；所述控制器分别输出控制信号连接所述探头信号切换电路控制端、第一探头插座和第二探头插座的电源使能端，控制所述探头信号切换电路信号切换、第一探头插座和第二探头插座的上电；所述探头信号切换电路的发射/接收端连接所述探头扩展装置插头，所述控制器设有一通讯接口连接所述探头扩展装置插头。
2. 如权利要求1所述的电子设备探头扩展装置，其特征是所述探头信号 切换电路包括继电器、继电器控制模块，所述控制器输出控制信号连接 所述继电器控制模块控制端，所述继电器与所述继电器控制模块连接。
3. 如权利要求2所述的电子设备探头扩展装置，其特征是还包括低压差 稳压器，用于给所述控制器、探头信号切换电路、第一探头插座、第二 探头插座提供工作电压;所述控制器输出电源使能信号控制所述低压差 稳压器向所述第一探头插座、第二探头插座供电。
4. 如权利要求1或2所述的电子设备探头扩展装萱，其特征是所述控制 器设有一探头状态中断信号端连接所述探头扩展装置插头;用于当所述 控制器检测到探头在位状态信号中断时，向电子设备主机发出中断信 号，由主机停止向探头发射信号。
5. 如权利要求1或2所述的电子设备探头扩展装置，其特征是所述主体 包括扣板A和扣板B;所述控制器、探头信号切换电路布设于扣板A， 所述第一探头插座、第二探头插座安装于扣板B,所述扣板A与扣板B 通过连接插座组相扣接并实现电连接。
6. 如权利要求5所述的电子设备探头扩展装置，其特征是所述连接插 座组包括A连接插座组、B连接插座组；所述A连接插座组包括二对板 到板插座，用于实现第一探头插座与探头信号切换电路的电连接；所述 B连接插座组包括二对板到板插座，用于实现第二探头插座与探头信号 切换电路的电连接。
7. 如权利要求6所述的电子设备探头扩展装置，其特征是所述探头信号切换电路部分设于所述A连接插座组的二个插座之间，部分设于所述B 连接插座组的二个插座之间；所述扣板A还设置有用于连接发射/接收 信号电缆的发射/接收信号插座;该发射/接收信号插座至所述探头信号 切换电路、所述探头信号切换电路至所述A连接插座组的二个插座的信 号走线构成T型或近似T型；该发射/接收信号插座至所述探头信号切 换电路、所述探头信号切换电路至所述B连接插座组的二个插座的信号 走线构成T型或近似T型。
8. —种电子设备主机对扩展探头的控制方法，其特征在于包括对探头信 息的读取步骤1) 通过探头扩展装置的控制器查询探头在位状态；2) 通过控制器对欲进行信息读取的探头发出电源使能信号，给相应探 头供电；3) 选通相对应探头的通讯接口，读取探头信息；4) 主机判断是否探头信息读取完成，当主机确认探头信息读取完成之 后，给探头扩展装置的控制器发送探头去电命令，控制器控制探头 的电源使能信号，使相应探头去电。
9. 如权利要求8所述的控制方法，其特征是还包括对探头拔插的处理流 程探头扩展装置的控制器根据探头在位状态的变化，产生中断信号； 主机读取探头状态信息；同时控制器复位中断信号；主机判断是否工作 探头非法拔出，若是，则主机关闭高压发射，若否，则主机保存探头状 态信息。
10. 如权利要求8所述的控制方法，其特征是，还包括对接入探头的切换控 制步骤通过探头扩展装置的控制器控制探头信号切换电路的选通，选 通接入探头的发射/接收端与主机的连接。
11. 如权利要求10所述的控制方法，其特征是，所述主机对探头扩展装置 的探头切换控制和探头信息读取通过串行SPI通讯接口实现。
12. 如权利要求10所述的控制方法，其特征是，所述探头信号切换电路采 用继电器作为探头发射/接收信号的切换开关。
全文摘要
本发明公开了一种电子设备探头扩展装置及主机对扩展探头的控制方法，装置包括主体、探头扩展装置插头；所述主体上布设有控制器、探头信号切换电路、第一探头插座、第二探头插座、探头扩展装置插头；主机对扩展探头信息读取中，通过探头扩展装置的控制器查询探头在位状态；通过控制器对欲进行信息读取的探头发出电源使能信号，给相应探头供电；选通相对应探头的通讯接口，读取探头信息；当主机确认探头信息读取完成之后，给控制器发送探头去电命令，控制器控制探头的电源使能信号，相应探头去电，结束操作。本发明的探头扩展装置与主机设备之间实现接口通讯连接，由内部的控制器解析主机系统的命令，实现探头识别、工作探头切换等功能；方便、可靠地进行各种功能的控制，操作自动化程度高。
文档编号A61B8/00GK101455575SQ20071012487
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者刘国涛, 宋炜华, 程东彪 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司