一种低电平控制系统的制作方法

1.本发明实施例涉及控制技术，尤其涉及一种低电平控制系统。


背景技术：

2.硼中子俘获治疗技术(boron neutron capture therapy，bnct)是一种先进的用于治疗癌症的技术，利用该技术治疗癌症时，向患者注射含硼的药物，药物与癌细胞结合后，对患者进行中子照射，中子与药物中的硼结合后产生杀伤癌细胞的粒子，进而实现治疗的目的。
3.目前，基于硼中子俘获治疗技术的医疗设备主要通过加速器产生照射患者的中子束，现有技术中，主要通过低电平控制系统实现对加速器的控制，以实现对加速器场腔的幅值、相位以及谐振频率的控制。
4.现有技术中，低电平控制系统的设计和结构非常复杂，使用成本很高，同时低电平控制系统缺乏应急控制功能。


技术实现要素：

5.本发明提供一种低电平控制系统，以达到简化低电平控制系统的设计，降低其成本以及提高低电平控制系统使用安全性的目的。
6.本发明实施例提供了一种低电平控制系统，包括：低电平控制板、射频前端板以及定时板；
7.其中，所述低电平控制板包括低电平控制母板、第一ad采样-da输出板以及第一ad采样板；
8.所述低电平控制母板通过所述第一ad采样-da输出板与射频前端板相连接，所述射频前端板用于与被控负载相连接；
9.所述低电平控制母板与所述第一ad采样板相连接，所述第一ad采样板用于所述被控负载的信号采样；
10.所述低电平控制母板配置为根据所述第一ad采样板的采样信号，控制所述第一ad采样-da输出板向所述射频前端板输出i/q信号；
11.所述定时板用于向所述第一ad采样-da输出板以及所述第一ad采样板提供时钟信号；
12.所述射频前端板至少包括i/q调制器、滤波器以及可控开关；
13.所述i/q调制器用于将所述i/q信号调制为射频控制信号，所述射频控制信号用于作为所述被控负载的激励信号；
14.所述滤波器用于所述射频控制信号的滤波，所述可控开关用于断开或连通所述射频前端板与所述被控负载；
15.还包括滤波模组，所述被控负载通过所述滤波模组与所述第一ad采样板相连接。
16.可选的，还包括功率监测板，所述功率监测板包括功率监测母板、第二ad采样-da
输出板以及第二ad采样板；
17.所述功率监测母板与所述低电平控制母板的结构相同，所述第一ad采样-da输出板与所述第二ad采样-da输出板的结构相同，所述第一ad采样板与所述第二ad采样板的结构相同；
18.所述第二ad采样-da输出板以及所述第二ad采样板用于所述被控负载的功率信号采样；
19.所述功率监测母板配置为根据所述第二ad采样-da输出板以及所述第二ad采样板的功率采样信号确定所述被控负载的功率。
20.可选的，所述定时板包括第一控制板、第一信号板；
21.所述第一控制板配置为生成所述时钟信号、输出所述时钟信号，所述第一信号板用于输入或输出第一信号。
22.可选的，还包括高频快保护板；
23.所述高频快保护板配置为接收到联锁保护信号时，输出射频信号关断指令，所述射频信号关断指令用于控制所述可控开关断开。
24.可选的，所述高频快保护板包括第二控制板、第二信号板；
25.所述第二控制板配置为接收到所述联锁保护信号时，生成所述射频信号关断指令、输出所述射频信号关断指令，所述第二信号板用于输入或输出第二信号；
26.所述第一控制板与所述第二控制板的结构相同，所述第一信号板与所述第二信号板的结构相同。
27.可选的，还包括加速器快保护板；
28.所述加速器快保护板配置为接收到联锁保护信号时，输出负载保护指令，所述负载保护指令用于控制所述被控负载停止输出预设信号。
29.可选的，所述加速器快保护板包括第三控制板、第三信号板；
30.所述第三控制板配置为接收到所述联锁保护信号时，生成所述负载保护指令、输出所述负载保护指令，所述第三信号板用于输入或输出第三信号；
31.所述第一控制板与所述第三控制板的结构相同，所述第一信号板与所述第三信号板的结构相同。
32.可选的，所述滤波模组包括第一sma插座、lc滤波模块、巴伦模块、第一q值滤波模块、第二q值滤波模块、第二sma插座；
33.所述第一sma插座、lc滤波模块、巴伦模块、第一q值滤波模块、第二sma插座串联；
34.所述第二q值滤波模块的两端分别与所述巴伦模块、接地端相连接。
35.可选的，所述射频前端板配置为输出至少两路所述射频控制信号。
36.可选的，所述低电平控制板、射频前端板以及定时板之间通过cpci总线实现信息交互。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出一种低电平控制系统，包括低电平控制板、射频前端板和定时板，其中低电平控制板包括低电平控制母板、ad采样-da输出板以及ad采样板，低电平控制母板配置为根据ad采样板的采样信号和设定基准信号，通过闭环控制的方式调制用于控制被控负载的基带信号，其中，幅度相位的反馈控制调整采用全数字化技术，克服了传统的模拟射频控制技术对器件的性能苛刻要求，以及温度和
元器件个体差异等因素对系统的精度和稳定性影响大等缺点，大大提高了系统的稳定性、灵活性和一致性。
38.此外，射频前端板中包括可控开关，当发生异常时，可控开关可以受控断开，从而断开低电平控制系统与被控负载之间的射频信号传输通路，进而保证被控负载的使用安全。
附图说明
39.图1是实施例中的低电平控制系统结构框图；
40.图2是实施例中的另一种低电平控制系统结构示意图；
41.图3是实施例中的另一种低电平控制系统结构示意图；
42.图4是实施例中的功率监测板结构示意图；
43.图5是实施例中的定时板接口示意图；
44.图6是实施例中的另一种低电平控制系统结构示意图；
45.图7是实施例中的滤波模组结构示意图；
46.图8是实施例中的射频前端板结构示意图。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
48.图1是实施例中的低电平控制系统结构框图，参考图1，低电平控制系统包括低电平控制板100、射频前端板200以及定时板300。
49.示例性的，本实施例中，低电平控制板100主要用于完成反馈射频信号的adc采集，数字化运算处理，以及输出调整后的iq基带信号，其中，调整iq基带信号的目的在于：使iq基带信号的幅值、相位或者频率与控制被控负载时需要的幅值、相位或者频率相同；
50.射频前端板200主要用于对调整后的iq基带信号进行调制，使基带信号形成可以发射的射频信号；
51.定时板300主要用于为低电平控制板100提供工作时所需的时钟信号。
52.示例性的，本实施例中，反馈射频信号由被控负载输出，反馈射频信号用于作为调整iq基带信号的比较信号，进而实现针对iq基带信号的闭环控制，使iq基带信号的幅值、相位等稳定在指定的数值范围内。
53.示例性的，本实施例中，射频信号作为被控负载激励信号，被控负载接收到低电平系统发送的射频信号时，在激励信号的作用下生成指定的物理场(例如磁场、电场等)。
54.例如，当被控负载为基于硼中子俘获治疗技术的医疗设备中的粒子加速器时，射频信号作为粒子加速器的激励信号，基于激励信号包含的幅值、相位、频率等信息，在粒子加速器中激励组件(例如激励线圈)的作用下，粒子加速器可以生成需求的磁场，从而实现对粒子的加速，以最终形成用于治疗的粒子束。
55.图2是实施例中的另一种低电平控制系统结构示意图，参考图2，具体的，本实施例中，低电平控制板包括低电平控制母板101、第一ad采样-da输出板102以及第一ad采样板
103。
56.低电平控制母板101通过第一ad采样-da输出板102与射频前端板相连接，射频前端板用于与被控负载1000相连接；
57.低电平控制母板101与第一ad采样板103相连接，第一ad采样板103用于被控负载1000的信号采样。
58.示例性的，本实施例中，低电平控制母板101配置为根据第一ad采样板103的采样信号，控制第一ad采样-da输出板102向射频前端板输出i/q信号(调整后的iq基带信号)。
59.示例性的，本实施例中，低电平控制母板101根据第一ad采样板103的采样信号确定被控负载的实时幅值、实时相位或者实时频率；
60.基于实时幅值、实时相位、实时频率以及上一周期调制(或设定的)的基带信号的幅值、相位、频率，低电平控制母板101可以生成当前周期调整基带信号时需要的幅值、相位或者频率。
61.示例性的，本实施例中，对低电平控制母板101生成当前周期调整基带信号时需要的幅值、相位或者频率的方式不做具体限定；
62.例如，基于实时幅值、实时相位、实时频率以及上一周期调制(或设定的)的基带信号的幅值、相位、频率，可以采用pid控制方法确定当前周期调整基带信号时需要的幅值、相位或者频率。
63.示例性的，在一种可实施方案中，配置低电平控制母板101按照如下方式调整基带信号：
64.低电平控制母板101获取第一ad采样板103的采样信号，并将采样信号处理成便于进行信号处理的中频信号；
65.将中频信号分解为i/q信号(即i、q两路正交信号)，按照如下方式消除i/q信号中的直流偏移量：
[0066][0067][0068]
上式中，id为i路中频信号，qd为q路中频信号；
[0069]
按照如下方式确定i路中频信号以及q路中频信号的幅值ad，相位θd：
[0070][0071][0072]
将上述幅值ad以及相位θd分别与参考信号的幅值和相位相比较，得到幅值差以及相位差；
[0073]
利用cordic方法调整相位，以弥补相位差，采用闭环控制算法调整幅值，以弥补幅值差，以实现调整基带信号的相位、幅值；
[0074]
通过下式确定i路中频信号以及q路中频信号与参考信号的频率差δω；
[0075][0076][0077]
上式中，k为系数，τ为时间常数，为初始相位，基于上式，可以通过最小二乘法求解出δω；
[0078]
采用闭环控制算法调整频率，以弥补频率差，以实现调整基带信号的频率。
[0079]
参考图2，本实施例中，射频前端板至少包括i/q调制器201、滤波器202以及可控开关203。
[0080]
i/q调制器201用于接收第一ad采样-da输出板102输出的i/q信号，将i/q信号调制为射频控制信号，射频控制信号用于控制被控负载1000；滤波器202用于射频控制信号的滤波。
[0081]
本实施例中，可控开关203用于断开或连通射频前端板与被控负载1000，其中，可控开关的控制信号可以为被控负载生成的联锁保护信号，可控开关203受控断开时，低电平控制系统与被控负载之间的射频控制信号传输路径断开，低电平控制系统不能向被控负载输出射频控制信号。
[0082]
示例性的，本实施例中，联锁保护信号可以由被控负载生成或者由人工输入。
[0083]
示例性的，本实施例中，低电平控制系统还包括机箱，机箱外型尺寸为：宽482.38mm
×
高400mm
×
深290mm，机箱主体采用铝合金型材，机箱表面进行铝本色氧化处理。
[0084]
示例性的，机箱采用高9u宽19”的上架结构，支持后i/o，设置机箱底部2u为风扇区，安装3个120x120x25mm nmb大功率直流风扇；
[0085]
设置机箱中部6u为板卡区，用于安装低电平控制板、射频前端板以及定时板等板卡；
[0086]
设置板卡区右侧为电源区，安装一块6u 16hp标准cpci电源背板，支持2块标准6u cpci电源，采用垂直插卡方式；
[0087]
机箱安装一块17槽标准cpci背板以及二次背板，cpci背板与二次背板用于低电平控制板、射频前端板、定时板、功率监测板、高频快保护板、加速器快保护板之间的cpci接口相互连接。机箱前开门设计，机箱前面板前设计了高性能的电磁屏蔽和限位门，方便安装调试维护；
[0088]
机箱还配置有通风截止波导板，既确保了散热效果，同时保证了良好的电磁兼容性能；
[0089]
机箱前面左右两侧各安装1个法兰，法兰上开有固定孔，方便低电平控制系统在机柜上固定，机箱两侧法兰上各安装1个把手，方便机箱搬运。
[0090]
示例性的，本实施例中，对前面板配置的接口不做具体限定(例如可以包括若干航插、光口、sma插座以及网口等)，其可以根据实际使用需求和设计需求自由设定。
[0091]
示例性的，本实施例中，低电平控制母板中配置数字处理芯片，基于数字处理芯片，低电平控制母板处理基带信号时，基带信号的幅度、相位的反馈控制调整可以采用全数字化技术，克服了传统的模拟射频控制技术对器件的性能苛刻要求，以及温度和元器件个体差异等因素对系统的精度和稳定性影响大等缺点，大大提高了系统的稳定性、灵活性和
一致性。
[0092]
参考图2，低电平控制系统还包括滤波模组2000，被控负载1000通过滤波模组2000与第一ad采样板103相连接。
[0093]
示例性的，本实施例中，滤波模组2000为外置的独立滤波装置，其串联于被控负载1000与第一ad采样板103之间的射频信号线上，用于实现对输入至第一ad采用板103的反馈射频信号的滤波。
[0094]
示例性的，通过配置独立的滤波模组，可以有效的解决被控负载与第一ad采样板之间的干扰信号，同时，通过滤波模组还可以实现反馈射频信号的屏蔽地与大地相隔离，以保证滤波效果。
[0095]
本发明实施例提出一种低电平控制系统，包括低电平控制板、射频前端板和定时板，其中低电平控制板包括低电平控制母板、ad采样-da输出板以及ad采样板，低电平控制母板配置为根据ad采样板的采样信号和设定基准信号，通过闭环控制的方式调整用于激励被控负载的基带信号，可以有效保证被控负载的工作稳定性；
[0096]
此外，射频前端板中包括可控开关，当发生异常时，可控开关可以受控断开，从而断开低电平控制系统与被控负载之间的射频信号传输通路，进而保证被控负载的使用安全。
[0097]
图3是实施例中的另一种低电平控制系统结构示意图，参考图3，作为一种可实施方案，低电平控制系统还包括功率监测板400，其中，功率监测板400主要用于被控负载的功率监测。
[0098]
示例性的，配置功率监测板时，低电平控制系统具备监测被控负载功率的功能，丰富了低电平控制系统的功能。
[0099]
图4是实施例中的功率监测板结构示意图，参考图4，功率监测板包括功率监测母板401、第二ad采样-da输出板402以及第二ad采样板403。
[0100]
示例性的，本方案中，第二ad采样-da输出板402以及第二ad采样板403通过滤波模组2000与被控负载1000相连接；
[0101]
第二ad采样-da输出板402以及第二ad采样板403用于被控负载1000的功率信号采样；
[0102]
功率监测母板401配置为根据第二ad采样-da输出板402以及第二ad采样板403的功率采样信号确定被控负载1000的功率。
[0103]
示例性的，结合图2和图4，本方案中，功率监测母板401与低电平控制母板101的结构相同，第一ad采样-da输出板102与第二ad采样-da输出板402的结构相同，第一ad采样板103与所述第二ad采样板403的结构相同。
[0104]
示例性的，以低电平控制母板为例，同时说明低电平控制母板和功率监测母板的结构。
[0105]
示例性的，作为一种可实施方案，低电平控制母板至少配置一个arm芯片以及一个fpga芯片，其中，配置fpga芯片主要用于实现控制算法逻辑，配置arm芯片主要用于实现接口算法逻辑；
[0106]
配置arm芯片与fpga芯片通过axi4接口实现数据交互，同时，配置arm芯片与fpga芯片支持cpci总线协议，使低电平控制板支持cpci总线通信。
[0107]
示例性的，以第一ad采样-da输出板为例，同时说明第一ad采样-da输出板、第二ad采样-da输出板的结构。
[0108]
示例性的，配置第一ad采样-da输出板配置至少两个adc芯片、至少两个dac芯片以及一个时钟分配芯片，其中，adc芯片用于接收采样信号，dac芯片用于输出i/q信号。
[0109]
示例性的，以第一ad采样板为例，同时说明第一ad采样板、第二ad采样板的结构。
[0110]
示例性的，配置第一ad采样板配置至少四个adc芯片以及一个时钟分配芯片，其中，adc芯片用于接收采样信号。
[0111]
示例性的，基于第一ad采样-da输出板、第一ad采样板，低电平控制板至少支持四路ad信号采集、两路da信号输出；
[0112]
基于第二ad采样-da输出板、第二ad采样板，功率监测板至少支持六路ad信号采集。
[0113]
示例性的，本方案中，对低电平控制板和功率监测板进行统型设计，低电平控制板和功率监测板中分别包括一块母板、ad采样-da输出板和ad采样板，在硬件上进行统型设计，方便设计以及设备的生产和制造，同时通过对母板进行不同的软件配置，可以方便使低电平控制板和功率监测板实现对应的功能。
[0114]
图5是实施例中的定时板接口示意图，参考图5，在一种可实施方案中，定时板包括第一控制板301、第一信号板302。
[0115]
第一控制板301配置为生成时钟信号、输出时钟信号，第一信号板302用于输入或输出第一信号。
[0116]
示例性的，本方案中，第一控制板301配置至少一个fpga芯片，第一控制板301输出的时钟信号作为时钟分配芯片的输入时钟信号；
[0117]
第一控制板301配置的接口包括cpci接口，第一信号板302配置的接口包括cpci接口和光纤接口，第一信号板302还配置有cpci-光纤接口转换电路；
[0118]
第一控制板301与第一信号板302通过cpci接口相连接，第一信号板302主要用于光信号与cpci信号的转换，以实现输入或输出光信号(第一信号)。
[0119]
示例性的，第一信号可以为时钟信号，第一信号板可以与被控负载上指定的装置(例如基于硼中子俘获治疗技术的医疗设备中的粒子源、粒子探测器等)相连接，为上述装置提供时钟信号。
[0120]
图6是实施例中的另一种低电平控制系统结构示意图，参考图6，作为一种可实施方案，低电平控制系统还可以包括高频快保护板500。
[0121]
高频快保护板配置为接收到联锁保护信号时，输出射频信号关断指令，射频信号关断指令用于控制可控开关203断开。
[0122]
示例性的，本方案中，配置高频快保护板，可以使低电平控制系统接收到联锁保护信号时，自动控制可控开关断开，可以避免采用人工实现针对可控开关的控制。
[0123]
示例性的，本方案中，联锁保护信号可由被控负载生成，由高频快保护板接收。
[0124]
示例性的，在一种可实施方案中，高频快保护板包括第二控制板、第二信号板。
[0125]
第二控制板配置为接收到联锁保护信号时，生成射频信号关断指令、输出射频信号关断指令，第二信号板用于输入或输出第二信号。
[0126]
示例性的，本方案中，第一控制板与第二控制板的结构相同，第一信号板与第二信
号板的结构相同。
[0127]
示例性的，本方案中，第二信号板用于将射频信号关断指令转换为光控指令(第二信号)，光控指令用于直接控制可控开关断开，相应的，可控开关采用砷化镓开关等。
[0128]
参考图6，作为一种可实施方案，低电平控制系统还可以包括加速器快保护板600。
[0129]
加速器快保护板配置为接收到联锁保护信号时，输出负载保护指令，负载保护指令用于控制被控负载停止输出预设信号。
[0130]
示例性的，本方案中，配置加速器快保护板，当可以使低电平控制系统接收到联锁保护信号时，自动控制被控负载停止工作，进一步提高被控负载的使用安全性。
[0131]
示例性的，在一种可实施方案中，加速器快保护板包括第三控制板、第三信号板。
[0132]
第三控制板配置为接收到联锁保护信号时，生成负载保护指令、输出负载保护指令，第三信号板用于输入或输出第三信号。
[0133]
示例性的，本方案中，第一控制板与第三控制板的结构相同，第一信号板与第三信号板的结构相同。
[0134]
示例性的，本方案中，第三信号板通过光纤接口与被控负载上指定的装置(例如粒子源)相连接，第三信号板用于将负载保护指令转换为光控信号(第三信号)，光控信号用于直接控制上述装置停止工作(例如控制粒子源停止输出粒子)。
[0135]
结合图5至图6所示的方案，对定时板、高频快保护板和加速器快保护板进行统型设计，定时板、高频快保护板和加速器快保护板中分别包括一块控制板、信号板，在硬件上进行统型设计，方便设计以及设备的生产和制造，同时通过对控制板进行不同的软件配置，可以方便使定时板、高频快保护板和加速器快保护板实现对应的功能。
[0136]
图7是实施例中的滤波模组结构示意图，参考图7，在图1所示方案的基础上，滤波模组2000包括第一sma插座2001、lc滤波模块2002、巴伦模块2003、第一q值滤波模块2004、第二q值滤波模块2005、第二sma插座2006。
[0137]
第一sma插座2001、lc滤波模块2002、巴伦模块2003、第一q值滤波模块2004、第二sma插座串联2006，第二q值滤波模块2005的两端分别与巴伦模块2003、接地端相连接。
[0138]
示例性的，本方案中，上述滤波模块集成于一块小型电路板上，同时加工了带盖的结构体，滤波模组作为独立的器件，可以方便的串联于射频信号的同轴传输线上。
[0139]
示例性的，本方案中，除了一个绝缘壁以外，结构体的其他面都用金属制成。在金属壁一侧，用于接收输入射频信号的第一sma插座的法兰盘通过螺钉直接安装在结构体上，使输入射频信号的屏蔽地与结构体导通；
[0140]
在绝缘壁一侧，用于输出射频信号的第二sma插座的法兰盘通过焊接安装在小型电路板上，绝缘(尼龙)壁中心挖孔，使焊接于电路板上的第二sma插座直接穿孔而出，从而实现了输出射频信号屏蔽地与结构体相隔离；
[0141]
实际使用时，将滤波模组整体串联于射频信号线上，从而可以实现射频信号屏蔽地与大地的隔离。
[0142]
示例性的，作为一种可实施方案，射频前端板配置为输出至少两路射频控制信号，图8是实施例中的射频前端板结构示意图，参考图8，射频前端板包括第一i/q调制器211、第一滤波器221、第一可控开关231、第二i/q调制器212、第二滤波器222、第二可控开关232；
[0143]
第一i/q调制器211、第一滤波器221、第一可控开关231构成第一射频信号发射通
路，第二i/q调制器212、第二滤波器222、第二可控开关232构成第二射频信号发射通路。
[0144]
示例性的，本方案中，射频前端板的输入信号可以为i/q信号或者rf射频信号，其中，若输入信号为rf射频信号，则rf射频信号无需经过i/q调制器的调制，而是直接输入至滤波器中，经过滤波后直接输出至被控负载。
[0145]
当射频前端板的输入信号为rf射频信号时，相应的，配置低电平控制板可以向射频前端板输出射频信号。
[0146]
本方案中，射频前端板配置为输出至少两路射频控制信号，使低电平控制系统可以同时控制至少两个被控负载，提高了低电平控制系统的适用范围。
[0147]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。