一种通过直流电机控制铅板开合的限束器控制电路的制作方法

本实用新型属于限束器控制电路技术领域，具体涉及一种通过直流电机控制铅板开合的限束器控制电路。

背景技术：

目前，无论是国内还是国外对线束器的设计仍保持着15-20年前的设计理念，采用“mcu+fpga+步进电机”的架构理念。其中fpga控制芯片负责处理按键、旋钮、显示等人机交互部分的内容，而mcu则处理定时器启停、步进电机的运动、及与fpga的通信、通过can总线控制主机的通讯等功能。

上述设计架构突出的问题是对人机交互时产生的按键及旋钮的动作后反映时间过长，从而导致机器反映速度慢、铅板及滤线器的开合时间、开合大小控制周期较长，有些甚至需要0.5s以上才能达到预设计的理想状态，辐射场误差大都在sid的1.2％倍左右。当人的过多部位暴露在x线照射范围内，而绝大多数部分是本来可以不需要被x线照射的或者说有些部分是本来可以尽量在极短时间内暴露在x线辐射范围内，无故增大了不必要的照射剂量，增大了患者在医用诊断时带来的不必要的安全隐患。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种通过直流电机控制铅板开合的限束器控制电路，旨在解决目前的限束器系统控制部分采用的架构设计结构复杂，并且仅仅依靠步进电机带动铅板运动而导致的精度不高的问题，同时创造性地把传统编码器控制铅板恒速运行速度模式设计为识别不同调节速度而改变运行速度，在提高操作可靠性的同时大大提升精准性，方便调节和设置。

本实用新型是这样实现的，一种通过直流电机控制铅板开合的限束器控制电路，通过带六路及以上pwm控制的dsp主控电路直接控制六路直流电机电路，通过六路直流电机电路分别控制六个直流电机，六个直流电机分别控制2个高度铅板的运行方向、2个宽度铅板的运行方向和2个滤线器铜片的运行方向。

优选地，还包括与带六路及以上pwm控制的dsp主控电路分别连接的供电电路、jtag电路、ram存储电路、模拟x射线的led灯电路、led灯散热风扇电路、激光管电路、rs485通信电路、rs232通信电路、can通信电路、eeprom电路、拨码开关及指示灯电路、滤线器识别电路、高度铅板位置传感器识别电路、宽度铅板位置传感器识别电路、安全位置开关电路和接口接插件连接电路，接口接插件连接电路分别连接旋转编码器电路、外部按键电路和lcd显示屏接口电路，所述带六路及以上pwm控制的dsp主控电路采用tms320f28335控制芯片，tms320f28335控制芯片各引脚标号与其他电路上各引脚标号一致的表示对应的连接关系。

进一步优选，所述供电电路用于将外部接口提供的电压进行整流滤波并降压后给不同的电路供电，供电电路包括顺次连接的z1整流桥电路、u1降压电路和u2降压电路，并且u1降压电路和u2降压电路之间还连接u3降压电路，z1整流桥电路对外部接口提供的dc24v或ac24v电源电压进行整流滤波，u1降压电路对外输出dc5v电压，供电给u2降压电路和u3降压电路，u2降压电路对外输出dc3.3v电压，u3降压电路对外输出dc3.3v和dc1.9v电压，dc1.9v电压为所述tms320f28335控制芯片供电；

u1降压电路采用lm2596-5.0芯片，u2降压电路采用tps76833q芯片，u3降压电路采用tps75701ktt芯片，z1整流桥电路的引脚1和引脚4输出+24v电压，连接u1降压电路的引脚1，u1降压电路的引脚2和引脚4输出+5v电压，连接u2降压电路的引脚3和引脚4，u2降压电路的引脚5和引脚6输出+3.3v电压，并且u1降压电路的引脚2和引脚4还连接u3降压电路的引脚5和引脚6，u3降压电路的引脚23、引脚24输出1.9v电压，与tms320f28335控制芯片的引脚4、引脚15、引脚23、引脚29、引脚61、引脚101、引脚109、引脚117、引脚126、引脚139、引脚146、引脚154、引脚167连接，且z1整流桥电路的引脚2和引脚3通过芯片tlp290se的引脚3检测，当某一时刻tlp290se的引脚3电压由高电平突然变为低电平时，则表示外部已开始停止供电，则tms320f28335控制芯片会利用电容ch1、电容ch2及电容c1内部储存的对外释放电能保存当前的数据备份。

进一步优选，六路所述直流电机电路包括高度铅板电机顺时针运行电路、高度铅板电机逆时针运行电路、宽度铅板电机顺时针运行电路、宽度铅板电机逆时针运行电路、滤线器铜片电机顺时针运行电路和滤线器铜片电机逆时针运行电路；

六路所述直流电机电路分别通过+24v电压支持，高度铅板电机顺时针运行电路与所述tms320f28335控制芯片的引脚5连接、高度铅板电机逆时针运行电路与tms320f28335控制芯片的引脚6连接、宽度铅板电机顺时针运行电路与tms320f28335控制芯片的引脚7连接、宽度铅板电机逆时针运行电路与tms320f28335控制芯片的引脚10连接、滤线器铜片电机顺时针运行电路与tms320f28335控制芯片的引脚75连接，滤线器铜片电机逆时针运行电路与tms320f28335控制芯片的引脚88连接。

高度铅板电机顺时针运行电路、高度铅板电机逆时针运行电路分别控制安装在同一条履带左右两端的高度铅板顺时针运行电机m1和高度铅板逆时针运行电机m2，宽度铅板电机顺时针运行电路、宽度铅板电机逆时针运行电路分别控制安装在同一条履带左右两端的宽度铅板顺时针运行电机m3和宽度铅板逆时针运行电机m4，滤线器铜片电机顺时针运行电路和滤线器铜片电机逆时针运行电路分别控制安装在同一条履带左右两端的滤线器铜片顺时针运行电机m5和滤线器铜片逆时针运行电机m6。

进一步优选，所述ram存储电路用于存储设备运行过程中的数据和备用程序；所述rs485通信电路、所述rs232通信电路、所述can通信电路均用于通信和数据传输和人机交互控制设备，所述eeprom电路用于出厂前设置默认参数，有错误时数据重新校正、断电时的数据备份；

ram存储电路通过+3.3v电压支持，采用is61lv51216-10ti芯片u5，与所述tms320f28335控制芯片的连接关系为19根地址线和16根数据线；rs485通信电路、rs232通信电路、can通信电路、eeprom电路均分别通过+3.3v电压支持。

进一步优选，所述模拟x射线的led灯电路用于控制模拟x射线照射野的led灯的亮灭，所述led灯散热风扇电路用于启停散热风扇，给led灯散热，所述激光管电路用于启停激光管发射激光；

模拟x射线的led灯电路通过+24v电压支持，采用lm3409芯片，通过引脚3与所述tms320f28335控制芯片的引脚13连接；led灯散热风扇电路通过+24v电压支持，采用melx533750410芯片，与tms320f28335控制芯片的引脚11连接，激光管电路通过+5v电压支持，也采用melx533750410芯片，与tms320f28335控制芯片的引脚12连接。

进一步优选，所述拨码开关及指示灯电路用于控制限束器上的多个拨码开关的开关状态和运行方式以及指示灯的闪烁周期，所述滤线器识别电路用于识别滤线器铜片是否遮挡了对应位置的传感器，所述高度铅板位置传感器识别电路用于识别高度铅板是否运行到了最大行程位置，所述宽度铅板位置传感器识别电路用于识别宽度铅板是否运行到了最大行程位置，所述安全位置开关电路用于识别高度铅板和宽度铅板是否超越了最大行程位置；

拨码开关及指示灯电路通过+3.3v电压支持，采用smd-sw-1.27芯片，与所述tms320f28335控制芯片的引脚89、引脚90、引脚91、引脚94、引脚73、引脚74连接；滤线器识别电路通过+5v电压支持，采用2个melx533750510芯片，与tms320f28335控制芯片的引脚95、引脚96、引脚97、引脚98、引脚99、引脚100相连；高度铅板位置传感器识别电路和宽度铅板位置传感器识别电路通过+5v电压支持，均采用melx533750510芯片，与tms320f28335控制芯片的引脚21、引脚24相连；安全位置开关电路通过+5v电压支持，采用两个melx533750510芯片，与tms320f28335控制芯片的引脚27、引脚28、引脚62、引脚63相连。

进一步优选，所述接口接插件连接电路用于将所述带六路及以上pwm控制的dsp主控电路分别与所述旋转编码器电路、所述外部按键电路和所述lcd显示屏接口电路连接起来，旋转编码器电路用于调节控制2个高度铅板运行电机的转动速度和2个宽度铅板运行电机的转动速度，外部按键电路用于控制滤线器铜片遮挡x射线的数量、控制是否开启模拟x射线的led灯、散热风扇和激光管、控制保存当前铅板位置及滤线器铜片数量、控制sid的距离，lcd显示屏接口电路用于接入lcd显示屏；

接口接插件连接电路通过+5v电压支持，采用t812130a100ceu或aehw30g0502-t-r芯片，一侧与所述tms320f28335控制芯片对应的引脚连接，另一侧通过对应的引脚连接旋转编码器电路、外部按键电路和lcd显示屏接口电路，旋转编码器电路、外部按键电路和lcd显示屏接口电路均通过+5v电压支持。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

不再采用复杂的双芯片交互通讯的方式而直接采用一颗高精度的带pwm控制的dsp芯片，同时也没再采用步进电机而是用左右两路直流电机代替一路步进电机，可以更快速地控制铅板到达目标位置，大大缩小了达到指定行程需要运行的时间，提升了运行稳定性，不再有因为步进电机启停而会导致x线抖动的现象，减小了对人体的伤害。

附图说明

图1为本实用新型总体控制电路模块图；

图2为tms320f28335的dsp控制芯片电路图；

图3为六路直流电机电路图；

图4为供电电路图；

图5为ram存储电路图；

图6为模拟x射线的led灯电路图、led灯散热风扇电路图、激光管电路图；

图7为rs485通信电路图；

图8为rs232通信电路图

图9为can通信电路图；

图10为eeprom电路图

图11为拨码开关及指示灯电路图；

图12为滤线器识别电路图；

图13为高度铅板位置传感器识别电路图、宽度铅板位置传感器识别电路图；

图14为安全位置开关电路图；

图15为接口接插件连接电路；

图16为旋转编码器电路图；

图17为外部按键电路图；

图18为lcd显示屏接口电路图；

图19为为本实用新型提供的控制电路控制限束器工作时的流程示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1、图2和图3，本实施例通过采用具有pwm输出控制能力的tms320f28335的dsp控制芯片，对6路直流电机进行启动停止、运行方向、运行速度大小等的控制，从而对6路直流电机带动铅板和滤过器铜片进行精准控制。

参考图4，外部接口需要给线束器供电端提供dc24v或ac24v电源电压值，经过z1整流桥电路整流滤波后给u1降压电路(lm2596-5.0)输入端提供电能；u1降压电路对外输出稳定的dc5v电压给其他需要dc5v的部分供电；dc5v通过u2降压电路(tps76833q)后对外输出dc3.3v电压，供需要dc3.3v电压的部分供电，此时d3led指示灯亮起，表示dc3.3v供电正常。

dc5v的一路通过u3降压电路(tps75701ktt)对外输出dc3.3v和dc1.9v电压，其中dc1.9v为tms320f28335控制芯片供电，当d4led指示灯被点亮，表示dc1.9v供电正常。而dc3.3v给其他需要dc3.3v的部分供电，和u2降压电路输出的dc3.3v电压一样，增大了整套控制系统中dc3.3v电压的输出电流能力。

24_dec+和24_dec-端通过s1(tlp290se)的第3脚检测，当某一时刻第3脚电压由高电平突然变为低电平时(即有一个下降沿电平)则表示外部已开始停止供电，则tms320f28335控制芯片会利用ch1、ch2及c1内部储存的对外释放电能保存当前的数据备份，而s1(tlp290se)仅需dc5v供电即可。

参考图5，ram存储电路为高速静态异步存储器电路，其和tms320f28335控制芯片连接关系为19根地址线和16根数据线；19根数据线为2^19寻址能力，即512kb，这个空间是tms320f28335控制芯片可以访问的空间；16根地址线说明寻址数据是16位的。is61lv51216-10ti的特点是快速的可读可写，增大了tms320f28335控制芯片处理各种数据和pwm精准控制直流电机的能力。给存储器断电后，里面存储的数据会丢失，不会对新的开机造成任何干涉。

参考图6，传统限束器采用的是卤素灯模拟x线的照射野，本实用新型的限束器采用特制的led灯珠的方式进行x线的照射野的模拟，摒弃了卤素灯发热功率大但模拟效果不理想的设计理念，采用u6(lm3409)控制电路，其由dc24v供电电路供电，对led灯亮灭的控制由tms320f28335控制芯片通过对u6的第三脚进行使能或关闭的控制，进而控制模拟x线照射野的亮灭，同时被启停的还有n/a_o和fan_o引脚，它们起到的作用是启停led灯散热风扇电路、激光管电路来发射激光和对led灯灯珠进行散热。三者的启停和运行时长完全由tms320f28335控制芯片控制。

参考图7，本实用新型附带采用了行业传统的rs485通信电路的设计，可以通过rs485协议方式和遵循约定同样协议规约的设备之间进行通信及各种数据的传输，对高度、宽度、滤线器等电机的启停、行程等的控制，也可对包括模拟x线的led灯、激光管、风扇等启停、运行时间的控制。

参考图8，本实用新型附带采用了行业传统的rs232通信电路的设计，可以通过rs232协议方式和遵循约定同样协议规约的设备之间进行通信及各种数据的传输，对高度、宽度、滤线器等电机的启停、行程等的控制，也可对包括模拟x线的led灯、激光管、风扇等启停、运行时间的控制。

参考图9，本实用新型附带采用了行业传统的can通信电路的设计，可以通过can协议方式和遵循约定同样协议规约的设备之间进行通信及各种数据的传输，对高度、宽度、滤线器等电机的启停、行程等的控制，也可对包括模拟x线的led灯、激光管、风扇等启停、运行时间的控制。

参考图10，本实用新型中附带采用了行业传统的eeprom电路的设计，当限束器出厂前通过提前设置默认各种数据参数，当上电自检时发现错误，则会立即保存错误信息同时在u7(fm24cl64)的对应地址位置上正确的信息与刚保存的信息进行对比，发现二者不一样时重新校正和设置对应参数信息。

当某一时刻s1(tlp290se)的第3脚检测，当某一时刻第3脚电压由高电平突然变为低电平时(即有一个下降沿电平)则表示外部已开始停止供电，则主控芯片会利用ch1、ch2及c1内部储存的对外释放电能保存当前的数据备份在u7(fm24cl64)的对应地址位置上，下次开机时依然可以以上一次正确的值进行位各种自设定，提升了操作的简便，同时减少了病人被x线的照射。

参考图11，拨码开关的设计扩展了线束器的应用场景，可以设置sw1上四个拨码开关的开关状态决定其运行方式。即可以设置num1的on状态为正常模式而off模式为设备校正模式；num2的on状态为can通信模式而off模式为rs485通信模式；num3的on状态为rs232通信模式而off模式为rs232模式被关闭；num4的on状态为模拟x线的led灯亮灭时长为15s,而off模式为模拟x线的led灯亮灭时长为30s；

d10、d11的闪烁周期代表了s1上num1的on状态或off状态。当其闪烁频率为500ms时num1为on状态，当其闪烁频率为2s时num1为off状态,运维人员可以直接观察led的闪烁频率判别限束器的运行情况。

参考图12，滤线器的一端通过j12、j14两个接插件相连在tms320f28335控制芯片的对应接插口。滤线器识别电路包括了f_in1-f_in6六个能被tms320f28335控制芯片识别高低电平的端口，当tms320f28335识别到其为高电平时说明没有铜片遮挡对应位置上的传感器，反之则说明有铜片遮挡了对应位置上的传感器。

参考图13，当高度或者宽度电机带动铅板到达最大行程时，对应的h_sensor_i和w_sensor_i引脚相连的位置由高电平变为低电平，从而被tms320f28335控制芯片识别到，停止电机的运行，d12、d13则开始由灭变亮，指示此时的状态已到达最大位置，再继续增加直流电机的运行其也不再跟随变化。

参考图14，安全位置开关防止当高度和宽度铅板位置传感器识别到电机带动的铅板到达最大行程后电机继续运行可能会引起意外，safety1-safety4四个位置的识别电路分别为m1-m4四个电机运行到最大位置后多加了一个识别确认方式，减少可能出错的概率。

参考图15，接插件通过公头和母头的接插件相连接，增大了扩展的灵活性和便宜性，标号相同的部位表示二者有连接关系，j9接插件是接口接插件连接电路的母头部分，具体连接包括了lcd显示屏的lcd_rs、lcdr/w、lcd_e、lcd_db0-lcd_db7；旋钮的l_cha、l_chb、r_cha、r_chb；以及按键的filter_i、lamp_i、memory_i、fa+_i、fa-_i。

参考图16，为旋转编码器电路图，旋转编码器的设计采用左右两路设计，其中l_cha和l_chb为左路，控制高度电机铅板的运行，其中r_cha和r_chb为右路，控制宽度电机铅板的运行。l_cha和l_chb为相位差为90°，l_cha控制铅板顺时针方向旋转，控制铅板的开合越来越小，l_chb控制铅板逆时针方向旋转，控制铅板的开合越来越大；r_cha和r_chb为相位差为90°，r_cha控制铅板顺时针方向旋转，控制铅板的开合越来越小，r_chb控制铅板逆时针方向旋转，控制铅板的开合越来越大；

根据旋转编码器旋转的快慢程度不一样，则电机旋转速度变化也不一样，从而铅板开合的速度变化根据电机的速度快慢进行调整，摒弃了只有一个速度运行而需要对旋转编码器旋转多圈的设计方式，大大提升设定位置的效率。当旋转编码器每次旋转后改变的脉冲数被后极电路识别转化后由l_cha、l_chb、r_cha、r_chb与tms320f28335对应的引脚捕获其脉冲变化数，从而通过对应算法计算到达目标位置的时间。标定旋转编码器每次变化数为pluse，当pluse>＝1&&pluse<＝3个脉冲时tms320f28335主控芯片算法判定此时为低速运行模式，则此时电机运行速度已设置的低档速率运行；当pluse>＝4&&pluse<＝6个脉冲时tms320f28335主控芯片算法判定此时为中速运行模式，则此时电机运行速度已设置的中档速率运行；当pluse>＝6个脉冲时tms320f28335主控芯片算法判定此时为高速运行模式，则此时电机运行速度已设置的高档速率运行，高档运行模式可以保证编码器旋转一周时电机达到最大行程，此时铅板运行到最大位置，被高度或宽度铅板位置传感器识别到，同时被安全位置开关的对应位置开关识别到，二重防护使电机停止运转，防止发生错误。

参考图17，为外部按键电路图，外部按键电路设计丰富了人机交互的内容，人工操作限束器更加便捷，功能更加完善：

其中filter_i为控制滤线器铜片个数选择的按键，其默认状态下为0个铜片，当按下1、2、3次这个按键时，分别选中1、2、3片铜遮挡x线对人体的直接辐射，在完成x线照射的前提下尽量减小对人体部位的伤害，当第4次按下这个按键时，选中的铜片为0，以此往复。

lamp_i为选中模拟x射线的led灯的开关灯的按键，按下lamp_i按键则同时打开模拟x射线的led灯和散热风扇、激光管等，在其倒计时关闭的时间内再次按下lamp_i按键则关闭以上三者。

memory_i按键则是对当前的铅板位置和滤线器选中的铜片数进行eeprom的保存设置按键，每按一下则记录一下当前值，下次再按时会立即回到上次记录的状态，方便操作人员不用每次都需要设置。

fa+_i和fa-_i为sid的增大及减小按键，sid默认状态下为100cm,每按一下按键则增大或减小1cm。最大增加到360cm，最小可减小到65cm。

参考图18，为lcd显示屏接口电路图，lcd显示屏各位置可显示目前高度、宽度电机带动铅板运行到的位置、以及选中的铜片个数、sid大小、模拟x线的led灯的亮灭状态、以及目前的通信方式、运行模式等等信息，方便人眼直观观察。

参考图19，为本实用新型提供的控制电路控制限束器工作时的流程示意图：上电开始时首先确认是否为首次开机，如果是，则进入校准模式，校准完成后，数据保存在eeprom电路的对应位置，掉电数据以及其他错误信息保存在eeprom电路的其他位置，如果不是首次开机，则直接进入操作模式，读取eeprom电路内部值，例如当前的铅板高度、宽度位置以及滤线器铜片运行到的默认位置，并且在液晶屏上显示位置信息。再根据控制方式，由can电路、rs485电路、rs232电路总线操作控制高度铅板控制电机、宽度铅板控制电机，滤线器铜片控制电机、灯、风扇、激光管的运行，旋钮或按键的设定动作执行的功能，同时在液晶屏上显示对应的位置信息和按键操作信息。

采用本实用新型提供的控制电路的限束器工作时，可以人工操作控制左右两侧的旋转编码器控制铅板宽度和高度铅板的开合大小，也可通过can总线或rs232及rs485总线直接控制铅板宽度和高度铅板的开合大小。也可通过外部按键电路控制filter的大小及模拟led灯的开关。

采用本实用新型的控制电路，首先，改变传统的"mcu+fpga+两个步进电机"架构模式的统限束器为"dsp+四个直流电机+加码盘(为了位置闭环控制)"的架构；电机运行方向和运行速度大小由dsp通过pid调节控制。filter控制使用两个直流电机。

其次，限束器面板上可供手动调节的旋转密码器根据其旋转速度的大小可设置四个直流电机的旋转快慢程度控制铅板运动，最快旋转一圈可达到最大照射野(或最小照射野)；其顺时针或逆时针旋转方向决定了电机的旋转方向，进而推动高度和宽度铅板的开合。

第三，本实用新型带一键设置功能，可以根据病人待描部位的经验数据设置完成，可调间隙的铅板之间的距离根据选择的模式，自动跟随设置铅板开合大小。若对默认大小不满意也可根据实际需要设置最大照射野范围内的任意值。