CN106972843A - 具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路设计技术，旨在提供一种具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路及实现方法。该电路包括微处理器、保护电路和信号发生电路，信号发生电路的输出端与电子仪器的功率输出端相连。保护电路由依次相连的微分电路、半波整流电路和反向上拉电路组成，其输入端接收微处理器发送的脉冲信号，输出端接至使能开关用于提供使能信号。在信号发生电路与功率输出端之间设有一个使能开关，能根据接受到的使能信号决定使能开关的启闭。本发明利用基于微分电路的保护电路用于增强安全性和可靠性，以硬件电路实现了对微处理器的软件运行状况的监测。保护电路简单可靠，易于维护。通过电路元器件的参数的调整，可根据需要修改保护电路的灵敏度。

Description

具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路及实现方法

技术领域

本发明属于电子电路设计技术，具体涉及的是一种具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路及实现方法。

背景技术

医学仪器主要用于对人的疾病进行诊断和治疗，其作用对象是条件复杂的人体，所以医学仪器与其它仪器相比有其特殊性。常用的诊断及治疗的电子仪器的临床应用是从上世纪初开始，以后随着科学技术和电子工程的发展而有了很大的发展，医学界的诊断手段和水平也更加依赖于医用电子仪器。目前的医学仪器越来越智能化、精密化、自动化，且品种繁多、应用广泛。随着计算机技术飞跃式的发展，计算机技术越来越广泛地应用于现代医学仪器的设计中，可以毫不夸张地说，几乎每台现代医学仪器中都至少有一颗及以上的处理器以及专门的软件系统。充分利用现有计算机的软硬件资源，发挥软件系统在设计上的灵活性，不仅能够实现传统医学仪器的所有功能，而且也能方便地实现数据记录、存储、回溯、分析等智能化功能。

在医学仪器电路设计中，最重要的设计原则是应充分考虑设备的安全性及电路的可靠性。国家相关部门在对医学仪器审核时，也会根据如GB9706等安全标准规范进行一系列严格苛刻的电气安全检测。尽管在实际情况下很少会发生，但在对医学仪器整机作检测时仍需要在设备的电源输入端加入各种频率的大功率强干扰信号，以测试设备的可靠性。因此必须在医学仪器的电路设计中加入各种抗干扰电路，以确保设备在强干扰下的正常运行。现代医学仪器的设计中，各种中央处理器(CPU)的应用几乎无处不在。其中微处理器(MCU)的应用更是随处可见，而运行在处理器之上的软件系统的可靠运行则完全依赖于处理器电源系统的稳定。然而目前一般地微处理的工作电压常为5V或3.3V，甚至更低。相对大功率整机来说其电压相对较低，因此极易受到干扰。为此在医学仪器的电源设计中需求加入各种抗干扰电路及保护电路，以确保软件系统能正常工作。尽管如此，在医学仪器设计中仍然需要对由于各种强干扰以及未知原因引起的软件系统的程序指针跑飞、系统崩溃、死机等一系列异常情况加以额外的保护处理，以避免异常引起的错误输出对治疗对象(患者)造成意外伤害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路及实现方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路，包括通过电缆依次相连的微处理器和信号发生电路，信号发生电路的输出端与电子仪器的功率输出端相连；其特征在于，在信号发生电路与功率输出端之间还设有一个使能开关，能根据接受到的使能信号决定使能开关的启闭；

还包括一个保护电路，其输入端接至微处理器，用于接收微处理器发送的脉冲信号，输出端接至使能开关用于提供使能信号；该保护电路由依次相连的微分电路、半波整流电路和反向上拉电路组成。

本发明中，所述保护电路的具体电路结构为：第一电容(C1)接至二级管(D1)的阳极，二级管(D1)的阴极通过第二电阻(R2)接至三极管(Q1)的基极；第一电阻(R1)的一端接至第一电容(C1)与二级管(D1)的中点，电解电容(C2)的正极接至二级管(D1)与第二电阻(R2)的中点，第一电阻(R1)的另一端、电解电容(C2)的负极和三极管(Q1)的发射极同时接地；三极管(Q1)的集电极通过第三电阻(R3)与使能开关相接，三极管(Q1)与第三电阻(R3)的中点处为使能信号输出(En)，用于接入使能开关的控制端；其中，第一电容(C1)和第一电阻(R1)构成微分电路，二级管(D1)和电解电容(C2)构成半波整流电路，第二电阻(R2)、第三电阻(R3)与三极管(Q1)构成反向上拉电路。

本发明还进一步提供了基于前述电子仪器控制信号输出电路的电子仪器保护功能的实现方法，包括：

(1)当内置于微处理器中的程序模块向信号发生电路发送控制信号时，还同时向保护电路输出一个脉冲信号用于指示程序正常运行；

(2)信号发生电路接收控制信号并进行解析和放大处理后，通过使能开关传送至电子仪器的功率输出端，用于驱动电子仪器进入工作状态；

(3)使能开关的启闭由保护电路输出的使能信号控制；当微处理器中内置程序模块运行正常时，保护电路将输出有效的使能信号保证使能开关处于导通状态，信号发生电路输出的控制信号能够传送至功率输出端以驱动电子仪器工作；

(4)如果微处理器受到干扰导致其内置程序模块运行异常，则向保护电路输出电平信号，使保护电路最终输出的使能信号失效，进而阻断信号发生电路的异常输出，起到对电子仪器的保护作用。

本发明的实现原理：

本发明的创新点是：基于微分电路的保护电路，将微处理程控输出的脉冲信号转换成输出控制使能信号。

在正常情况下，微处理器由内置程序控制输出一定频率的脉冲信号，并经过基于微分电路的保护电路后变成低电平而作为整台医学仪器的输出控制使能端有效信号，此时电子仪器控制信号输出电路可以正常输出(治疗)信号。

当外界有强干扰信号及其它未知原因引起微处理异常时，由于程序无法正常运行，微处理器将无法输出脉冲信号，其输出为电平信号(或高或低)。而电平信号将无法通过微分电路，使得保护电路输出为高电平，即输出使能信号无效，此时仪器无法正常输出，从而起到保护作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、针对基于微处理器程序软件控制的电子仪器，提出了一种基于微分电路的保护电路，可以作为整个电子仪器各种抗干扰及保护措施设计的一种，用于增强安全性和可靠性。

2、利用硬件电路实现了对微处理器软件的运行状况的监测。通过硬件电路实时监测软件是否正常运行，一旦软件异常，硬件电路实时保护。

3、通过电路元器件的参数的调整，可根据需要修改保护电路的灵敏度(响应时间)。

4、保护电路简单可靠，易于维护。

附图说明

图1为本发明的功能模块结构框图。

图2为本发明实现的电路图。

图3为本发明应用实例示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的实现方式进行详细描述。

如图1所示，具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路，包括通过电缆依次相连的微处理器和信号发生电路，信号发生电路的输出端与电子仪器的功率输出端相连；其特征在于，在信号发生电路与功率输出端之间还设有一个使能开关，能根据接受到的使能信号决定使能开关的启闭；还包括一个保护电路，其输入端接至微处理器，用于接收微处理器发送的脉冲信号，输出端接至使能开关用于提供使能信号；该保护电路由依次相连的微分电路、半波整流电路和反向上拉电路组成。

对于由微处理器程序控制的治疗信号的产生及输出的医学仪器，程序在产生治疗信号的同时，必须同时输出一脉冲信号，以指示程序正常运行。脉冲信号通过保护电路输出控制使能信号，等同于一开关控制信号。只有使能信号有效时，治疗脉冲才能正常输出。当微处理器程序因干扰导致异常时，用于保护的脉冲信号变成电平信号，以致保护电路输出的使能信号失效。尽管微处理器控制信号也同时失效，治疗信号发生电路将输出不受控的未知信号，但无法输出的驱动电路，从而起到保护作用。

具体而言，本发明中所述电子仪器控制信号输出电路的电子仪器保护功能的实现方法，包括以下内容：

(1)当内置于微处理器中的程序模块向信号发生电路发送控制信号时，还同时向保护电路输出一个脉冲信号用于指示程序正常运行；

(2)信号发生电路接收控制信号并进行解析和放大处理后，通过使能开关传送至电子仪器的功率输出端，用于驱动电子仪器进入工作状态；

(3)使能开关的启闭由保护电路输出的使能信号控制；当微处理器中内置程序模块运行正常时，保护电路将输出有效的使能信号保证使能开关处于导通状态，信号发生电路输出的控制信号能够传送至功率输出端以驱动电子仪器工作；

(4)如果微处理器受到干扰导致其内置程序模块运行异常，则向保护电路输出电平信号，使保护电路最终输出的使能信号失效，进而阻断信号发生电路的异常输出，起到对电子仪器的保护作用。

如图2所示，所述保护电路的具体电路结构为：第一电容C1接至二级管D1的阳极，二级管D1的阴极通过第二电阻R2接至三极管Q1的基极；第一电阻R1的一端接至第一电容C1与二级管D1的中点，电解电容C2的正极接至二级管D1与第二电阻R2的中点，第一电阻R1的另一端、电解电容C2的负极和三极管Q1的发射极同时接地；三极管Q1的集电极通过第三电阻R3与使能开关相接，三极管Q1与第三电阻R3的中点处为使能信号输出En，用于接入使能开关的控制端；其中，第一电容C1和第一电阻R1构成微分电路，二级管D1和电解电容C2构成半波整流电路，第二电阻R2、第三电阻R3与三极管Q1构成反向上拉电路。

第一电阻R1与第一电容C1组成RC微分电路，其充电时间常数T＝RC，当输入脉冲周期T_P<<T时，其输出电压近似等于输入电压。通过调整RC值，可以改变时间常数，从而改变对输入脉冲信号的频率要求，即改变保护电路的响应时间或称为灵敏度。二级管D1与电解电容C2组成半波整流电路，以确保输出的电压足以驱动反向的三极管Q1。三极管Q1的集电极通过第三电阻R3(上拉电阻)输出为高电平，当保护电路输入有效脉冲信号时，饱和通道输出变为低电平，即有效使能信号。

图3为本发明在经颅刺激治疗仪中的应用示意图。经颅刺激仪主要由高压发生器、高压电容及刺激线圈组成，在微处理器程序的控制下，用2000V左右的电压对高压电容进行充电，充电到设定值后再将电容两端电压对刺激线圈瞬间放电以产生强磁场用于对患者的治疗。对电容的充电、充电时间的控制、充放电的切换、放电时间控制，以及整个电路中的各种过压、过流保护的判处及处理均由微处理产生一组时序信号来控制。当微处理器异常时，输出的控制时序逻辑将不可预知。在未添加保护电路时，错误的控制时序有可能将高压直接连接到刺激线圈，从而引起输出短路，进而造成仪器烧毁甚至有可能对治疗对象(患者)造成损害。在添加保护电路后，一旦微处理器程序死机，电路将阻断高压输出，并在程序恢复正常运行后恢复正常输出。

通过上述实施例可以看到：对于基于微处理器程序控制的电子仪器，只有在微处理器程序正常运行时，通过保护电路输出有效使能信号，使得仪器可以的输出有效治疗信号。而当由外界有强干扰信号及其它未知原因引起微处理异常时，微处理器程序无法正常运行，使得保护电路输出使能信号无效，从而阻断仪器的异常输出，起到对电子仪器的保护作用以及对使用对象(患者)的人身安全保护作用。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。例如，本发明的应用领域不仅仅局限于医疗仪器，任何基于微处理器程序控制的电子仪器均可运用本发明。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具备保护功能的电子仪器控制信号输出电路，包括通过电缆依次相连的微处理器和信号发生电路，信号发生电路的输出端与电子仪器的功率输出端相连；其特征在于，在信号发生电路与功率输出端之间还设有一个使能开关，能根据接受到的使能信号决定使能开关的启闭；

还包括一个保护电路，其输入端接至微处理器，用于接收微处理器发送的脉冲信号，输出端接至使能开关用于提供使能信号；该保护电路由依次相连的微分电路、半波整流电路和反向上拉电路组成。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述保护电路的具体电路结构为：第一电容(C1)接至二级管(D1)的阳极，二级管(D1)的阴极通过第二电阻(R2)接至三极管(Q1)的基极；第一电阻(R1)的一端接至第一电容(C1)与二级管(D1)的中点，电解电容(C2)的正极接至二级管(D1)与第二电阻(R2)的中点，第一电阻(R1)的另一端、电解电容(C2)的负极和三极管(Q1)的发射极同时接地；三极管(Q1)的集电极通过第三电阻(R3)与使能开关相接，三极管(Q1)与第三电阻(R3)的中点处为使能信号输出(En)，用于接入使能开关的控制端；其中，第一电容(C1)和第一电阻(R1)构成微分电路，二级管(D1)和电解电容(C2)构成半波整流电路，第二电阻(R2)、第三电阻(R3)与三极管(Q1)构成反向上拉电路。

3.基于权利要求1所述电子仪器控制信号输出电路的电子仪器保护功能的实现方法，其特征在于，包括：

(1)当内置于微处理器中的程序模块向信号发生电路发送控制信号时，还同时向保护电路输出一个脉冲信号用于指示程序正常运行；

(2)信号发生电路接收控制信号并进行解析和放大处理后，通过使能开关传送至电子仪器的功率输出端，用于驱动电子仪器进入工作状态；

(3)使能开关的启闭由保护电路输出的使能信号控制；当微处理器中内置程序模块运行正常时，保护电路将输出有效的使能信号保证使能开关处于导通状态，信号发生电路输出的控制信号能够传送至功率输出端以驱动电子仪器工作；

(4)如果微处理器受到干扰导致其内置程序模块运行异常，则向保护电路输出电平信号，使保护电路最终输出的使能信号失效，进而阻断信号发生电路的异常输出，起到对电子仪器的保护作用。