CN109669370B - 一种信号处理器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信号处理系统，包括：输入接口，用于接收电平信号和干节点信号；复杂可编程逻辑电路板，用于接收电平信号，处理该电平信号并编码得到开关量输出信号；继电器电路板，用于接收干接点信号，对该干节点信号放大后传递至复杂可编程逻辑电路板进行处理得到继电器输出信号，并对继电器输出信号进行放大；输出接口，用于输出开关量输出信号和继电器输出信号，其中，复杂可编程逻辑电路板与继电器电路板通过数据扁平电缆连接。该信号处理器简化统一了其与各子系统之间的通信数据接口，结合核心逻辑控制器件的工作特点，尽可能精简人工干预过程，从而提高整体系统的自动化控制程度，为医用加速器终端一键调束功能的实现提供基础设备。

Description

一种信号处理器

技术领域

本发明涉及系统控制领域，尤其涉及一种信号处理器。

背景技术

医用重离子治疗装置是目前最大型的医疗器械，每一台医用重离子治疗装置都具有治疗终端系统，其位于加速器末端，而治疗终端系统的自动化程度越高，意味着工作越高效，患者对束流的使用效率也越高，整体治疗成本就会降低。因此，每个治疗终端系统都具有专用的设备集中控制系统。

集中控制系统由两个具体的设备组成：控制手柄信号处理器和手柄控制器，其中，控制手柄信号处理器是一种信号采集与数据编码设备，主要功能是实时采集加速器各个分系统传来的关键工作状态信号，经过软件系统分析后按照预设逻辑统一协调本系统内所有被控设备工作，从而实现治疗过程自动化运行，手柄控制器将繁琐的操作规程简化为若干个集中控制按钮，操作人员只需记忆并熟悉几个简单的操作步骤，就可以通过按钮控制整个终端系统所有重要治疗设备的启动、运行和停止，并且调动与之配套使用的大型分析处理软件。

然而，目前控制手柄信号处理器大量使用工控机、PLC以及各种背板式工控机箱等分散的设备配合在一起完成信息汇总和控制命令下发任务，系统整合程度不高，信号采集处理方式不统一，各个子系统信息汇总方式也不尽相同，使得整个集中控制系统复杂程度较高，工作效率较低，也很少从操作人员的角度看待集中控制系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提供一种控制手柄信号处理器，用于至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种信号处理器，包括：输入接口，用于接收电平信号和干节点信号；复杂可编程逻辑电路板，用于处理电平信号并编码得到开关量输出信号；继电器电路板，用于对干节点信号放大后传递至复杂可编程逻辑电路板进行处理得到继电器输出信号，并对继电器输出信号进行放大；输出接口，用于输出开关量输出信号和继电器输出信号；其中，复杂可编程逻辑电路板与继电器电路板通过数据扁平电缆连接。

可选地，复杂可编程逻辑电路板包括复杂可编程逻辑芯片和微控制单元芯片，复杂可编程逻辑芯片用于处理电平信号并编码得到开关量输出信号；微控制单元芯片用于将开关量输出信号和继电器输出信号转化为字符串信号后传递至控制终端。

可选地，复杂可编程逻辑电路板上设有至少两个通用异步收发传输通信接口，复杂可编程逻辑芯片连接有至少一个通用异步收发传输通信接口，微控制芯片连接有至少一个通用异步收发传输通信接口。

可选地，输入接口包括开关量输入接口和干节点输入接口，开关量输入接口用于接收电平信号；干节点输入接口用于接收干节点信号。

可选地，输出接口包括开关量输出接口和继电器输出接口，开关量输出接口用于输出开关量输出信号；继电器输出接口用于输出继电器输出信号。

可选地，复杂可编程逻辑电路板上设有控制手柄接口。

可选地，复杂可编程逻辑芯片与输入接口之间设有隔离保护电路，复杂可编程逻辑芯片与输出接口之间设有隔离放大电路。

可选地，复杂可编程逻辑电路板设有紧急停止继电器，用于输出紧急停止信号。

可选地，复杂可编程逻辑电路板与继电器电路板分别采用至少两路直流电源供电。

可选地，紧急停止继电器为双触点继电器。

(三)有益效果

本发明提供一种控制手柄信号处理器。该信号处理器简化统一了其与各子系统之间的通信数据接口，结合核心逻辑控制器件的工作特点，尽可能精简人工干预过程，从而提高整体系统的自动化控制程度，可以通过几个简单的按钮式操作完成对加速器的操作，为医用加速器终端一键调束功能实现提供基础设备。

附图说明

图1是本发明实施例控制手柄信号处理器外观结构示意图。

图2是本发明实施例控制手柄信号处理器正面板外部接口结构示意图。

图3是本发明实施例控制手柄信号处理器与手柄控制器连接示意图。

图4是本发明实施例控制手柄信号处理器背面板外部接口结构示意图。

图5是本发明实施例的控制手柄信号处理器内部电路结构示意图。

图6是本发明实施例CPLD PCB硬件结构的框图。

图7是本发明实施例继电器PCB硬件结构的框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施列提供了一种手柄控制信号处理器(以下简称信号处理器)，该信号处理器使用的核心逻辑控制芯片为复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable LogicDevice，CPLD)，CPLD预先会采用超高速集成电路硬件描述语言(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language，VHDL)进行编程设计，比较典型的设计是通过编程完成一系列功能的内部状态机，一个或若干个状态机相互配合以便实现相应的功能。

其工作原理为：当信号处理器工作时，启动若干个内部状态机，这些内部状态机由运行在CPLD芯片内部的程序所定义，他们不断扫描信号处理器外部接口传递进来的信号，这些信号是来自加速器各个子系统的关键状态信号，在对这些信号进行实时分析后，利用预先设定的逻辑对信号按照优先级的不同进行预处理，快速对已有信息进行编码后上传至手柄控制器，由手柄控制器输出控制信号到动作执行单元实现对加速器终端各种设备的自动控制。同时，状态机将这些信息发送至微控制单元芯片(Microcontroller Unit，MCU)，这些信息有选择的通过通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口显示在终端显示屏上，提供给控制室操作人员参考。

该信号处理器包括两个部分：外部接口与内部电路，下面做具体介绍。

图1为本发明实施例控制手柄信号处理器外观结构示意图。如图1所示，为了适应治疗终端系统控制机房内部最常见的19英寸机柜的安装要求，外壳主体宽度为483毫米，高度132毫米，为标准3U(1U＝4.445厘米)高度，深度213毫米。前面板两侧设有安装固定孔和把手，方便进行机柜安装与维护。两侧设有散热孔，因设备本身发热量很小，且内部电源数量不多，故采取自然对流方式散热。信号处理器前后两面设计为接线端，方便与机柜内部的理线槽对接。设备顶盖采用4颗螺丝固定，开合简便，方便软件开发人员对MCU芯片和CPLD芯片进行调试与维护。

图2为本发明实施例的控制手柄信号处理器正面板外部接口结构示意图。如图2所示，信号处理器采用双直流电源供电，其正面安装有两个电源(5V和12V)开关进行电源通断控制。前面板设有3个电源指示灯，维护人员可以通过该指示灯直观了解信号处理器的工作状态。前面板设有输出接口，包括8路开关量输出接口和8路继电器输出接口，开关量输出接口用于输出信号处理器产生的开关量输出信号，继电器输出接口用于输出信号处理器产生的继电器输出信号。前面板设有至少一个UART接口和一个HC手柄接口，该UART接口用于信号处理器的CPLD芯片调试过程中程序状态检测，可以将关键运行数据上传到电脑终端以便实时监测CPLD芯片程序运行状态，HC控制手柄接口用于连接信号处理器与手柄控制器，负责控制两个设备数据交换，并为治疗终端控制面板供电，其连接方式如图3所示，信号处理器与手柄控制器之间通过68芯数据线，采用点对点连接方式进行连接。

其中，治疗终端的一些传感器或检测设备要求输入电平信的电压值不低于5V，8路开关量输出接口可以满足此要求。8路继电器输出口则针对终端系统控制一些诊疗设备如移动化数字光机(DR)、治疗床及多页光栅等，这些设备通常需要12V或24V干节点控制信号提供运动使能信号或启动使能信号。

图4为本发明实施例控制手柄信号处理器背面板外部接口结构示意图。如图4所示，背面板设有电源输入接口(5V和12V)，通过控制前面板的电源开关，即可将电源从该接口输入至信号处理器内部。背面板设有16路开关量输入接口和16路干节点输入接口，开关量输入接口用于接收外部输入的标准5V或3.3V电平信号，干节点输入接口接入外部设备传送来干节点输入信号，这些信号也能为信号处理器提供闭合回路所需电源。背面板设有至少一个UART接口和至少一个紧急停止继电器输出接口，UART接口是MCU芯片的调试用串行通信接口，在MCU开发人员调试控制时使用，紧急停止继电器接口用于输出紧急停止信号，紧急停止信号由HC手柄控制器直接驱动，继电器方式输出。背面板设有设备外壳地线连接点，是信号处理器外壳接地线专用连接位置。

其中，为避免将交流电干扰引入设备，供电部分采用直流电供电设计，有安装在机柜内的AC/DC(交直流转换)电源适配器为信号处理器提供5V、12V(或24V)直流电源。电源连接器插座采用HIRSCHMANN公司的圆形防水连接器(型号：CA3GS)，与之配套的插头端(型号：CA3LD)连接电源线，电源线沿机柜内部线槽布置，最终连接至AC/DC电源适配器。

信号处理器的接口类型和数量如表1所示：

表1

图5为本发明实施例控制手柄信号处理器内部电路结构示意图。如图5所示，信号处理器内部电路由两块印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)电路板(包括A板：CPLD电路板和B板：继电器电路板)、电路板支架、40芯扁平电缆和供电线组成。两块PCB电路板分别安装在机箱底部和电路板支架顶部，采用螺母柱方式固定。两块电路板由一根40芯扁平电缆连接在一起，由经过2个前面板开关连接的4组专用电源线供电。CPLD电路板继电器电路板上局设有5V电源插座、12V电源插座及40芯扁平电缆插座。

CPLD PCB主要功能：(a)从16路开关量输入接口读取电平变化信号，从16路干节点输入接口读取干节点变化信号，利用复杂逻辑处理器件CPLD芯片对这些信号进行预判，将判定结果编码上传给TCP。同时也将预判结果编码发送给MCU芯片，编码结果经MCU芯片程序处理后转化为字符串经由异步通信接口传递至电脑终端供控制人员参考；(b)对手柄控制器传来的电平输出信号进行放大处理，利用隔离电路发送出去，同时为隔离输出的电平信号提供电源；(c)对手柄控制器传输而来的紧急停止继电器触发信号进行放大处理后驱动继电器动作。

继电器PCB主要功能：(a)从干节点接口采集数据，对信号进行隔离放大后通过排线传送给上层CPLD进一步处理；(b)对扁平电缆传输而来的继电器触发信号进行放大处理驱动继电器动作；(c)为干节点输入信号提供电源。

图6为本发明实施例的CPLD PCB硬件结构的框图。如图6所示，CPLD PCB由CPLD芯片和MCU芯片构成。考虑信号处理器必须通过EMC检测，在CPLD芯片与开关量输入接口、开关量出处接口及UART接口(对应前面板上的CLPD UART接口，改接口为CPLD接口占用)之间均设计了独立隔离保护电路，UART接口的隔离保护电路由信号隔离保护器和信号隔离保护器与接口之间的气体放电管、TVS稳压管组成。同样为满足EMC测试要求，MCU的UART接口与MCU芯片之间有独立的信号隔离保护器，隔离保护器与外部接口之间有气体放电管和TVS稳压管提供额外保护。三个部分共同组成UART隔离保护电路。

其中，CPLD芯片采用的是Atmel公司的EPM7128SQC100-10N。总可用I/O管脚数76个，本电路实际使用76个，工作电压5V，晶振频率25MHz，通过JTAG接口下载程序，开发环境为Quartus II 9.0版本。选择主控芯片首先考虑I/O资源和逻辑单元资源是否满足程序(或称之为逻辑)规模的要求，还需考虑开发者对所选择硬件资源的熟悉程度，因为这直接影响开发周期。综合考虑后选择了上述型号CPLD芯片作为主控逻辑芯片。

其中，MCU芯片为TI公司的MSC1210Y5单片机，工作电压5V，晶振频率11.0592MHz，与CPLD芯片通过16根数据线相连，这些数据线连接着MSC1210的T2定时器、异步串行通信口UART1、SPI接口和常规I/O口。同时异步串行通信口UART0为MSC1210Y5独立使用，并在设备外壳留有专用接口(UART接口MCU占用)。

采用CPLD芯片为主MCU芯片为辅的设计目的：((a)由于MCU芯片内部自带硬件定时器和异步通信接口，因此，简单编程即可实现微秒毫秒定时器输出，并且CPLD芯片和MCU芯片之间的通信连线可令CPLD芯片方便接收定时器中断信号，并利用这些信号完成设计功能。同时MCU异步通信接口可快速与PC建立串行通信，快速向电脑终端发布系统变化状态。由于这些功能不必由CPLD编程实现，因此，可为其节约宝贵的门电路资源。(b)在CPLD芯片开发阶段，MCU芯片可以作为检验者验证CPLD芯片中程序逻辑正确性。CPLD开发者也可以利用MCU的异步通信接口实时监视CPLD芯片工作状态，提高工作效率。(c)利用CPLD芯片灵活的管脚配置功能，可以对MCU芯片的UART和SPI(serial peripheral interface串行外围设备接口)通信口进行多路扩展。

CPLD PCB采用了如下的I/O设计方案：

开关量输入接口共16路：输入信号电平为5V。考虑到信号抗干扰和EMC标准要求，本设计利用光耦合器对每一路输入信号均进行隔离处理，在光耦和接口之间有TVS稳压管，单向导通二极管和限流电阻三种元件，光耦和这三种元件共同组成隔离保护电路。本设计可以对输入电压进行限制，最高24V，具有输入极性保护和限流保护功能。

开关量输出接口共8路：输出电平5V或3.3V的信号；这8路信号由治疗终端控制手柄直接驱动，经过68芯HC手柄控制接口进入CPLD电路板。这8路信号在68芯接口和输出接口之间经过总线驱动器放大，经过磁耦合器隔离，并由DC/DC(直流/直流转换)电源模块提供独立5V输出电源进行输出。

8路继电器输出：8路继电器输出信号由HC控制手柄直接驱动经由CPLD电路板连接至40芯扁平电缆接口传递至继电器PCB，由继电器PCB放大后输出。

16路干节点输入：干节点信号由继电器PCB专用接口输入，经过隔离放大处理后经由40芯扁平电缆传送到CPLD板而后由CPLD进行处理。

24根HC手柄接口连接线：手柄连接线连接CPLD芯片和HC控制手柄接口，CPLD与治疗终端手柄内部的FPGA依靠这24根数据线传输关键信号并完成数据交换，二者通信方式可以根据需要设定为并行、串行或串并行混合方式。无论何种方式，都需要CPLD和FPGA开发人员同时精确设定两个芯片的I/O方向和功能定义。

考虑到继电器使用寿命的因素，紧急停止输出信号选用的是双触点继电器，某一组使用中的触点发生故障时，设备操作员可以快速将输出信号线切换到另一组正常的触点上面。

为便于设备操作者了解设备工作状态，此电路板设计了一个可以在外壳显示的HC控制手柄电源指示灯。

图7为本发明实施例的继电器PCB硬件结构的框图。如图7所示，16路干节点信号由外部设备控制，从16干节点输入接口输入，经隔离保护电路和总线驱动器放大后，经由40芯扁平电缆传递至上层CPLD板进行处理。在多数情况下干节点信号电源由接收方提供，本设备也提供了一个12V(或24V，根据建立通信的双方约定而定)的干节点信号电源，方便信号接收与处理。

同样，利用光耦合器对每一路输入信号均进行隔离处理，在光耦和接口之间有TVS稳压管，单向导通二极管和限流电阻三种元件，光耦合器、TVS管和二极管这三种元件共同组成隔离保护电路，并且对输入电压进行限制，最高24V，具有输入极性保护和限流保护功能。

同样考虑到继电器使用寿命的因素，继电器输出采用的是双触点继电器，当某一继电器被触发后会引发两组独立的闭合触点产生闭合动作，信号处理器在电路设计上为每个继电器的两组输出线圈都预留了输出接口，8个继电器，输出接口8组共16路，相当于每组继电器输出都留有一路备用接口。继电器触发信号经过40芯扁平电缆插座引入，由总线驱动器放大，再由专用继电器驱动芯片提供驱动电流驱动继电器动作，从输出接口输出。

该继电器PCB可以提供两个在前面板上显示的5V和12V电源指示灯，便于操作人员了解信号处理器的工作状态。

另外，更换主控芯片CPLD芯片的型号或品牌也能完成相同的功能设计，更换MCU芯片的型号品牌也能完成相同的功能设计，在本发明另一实施例中，使用其它厂家生产的同样为8051核心的MCU芯片与其它厂家生产的CPLD芯片组合在一起，与本实施例的外围电路相配合，也能完成同样功能设计。本实施例使用MCU芯片与CPLD芯片配合完成主要逻辑运算任务，在本发明另一实施例中，一款性能较好的FPGA芯片与本实施例的外围电路相配合，也能完成相同的功能设计，比如拥有嵌入式ARM的内核的FPGA芯片，搭配本实施例的外围电路，也能完成同样功能，因此，具有嵌入式内核的FPGA可以作为主控逻辑处理单元的替代方案。

综上所述，本发明实施例提供一种信号处理器。该信号处理器适合安装在标准19英寸机柜内部，设备前后面为线缆连接面；信号处理器拥有双电路板上下堆叠式设计，两块电路板采用40芯数据扁平电缆连接；信号处理器与手柄控制器采取点对点连接的方式，其中的CPLD PCB上设有专用的HC手柄控制器68芯数据接口；CPLD PCB的主控逻辑处理芯片为一片CPLD芯片和一片MCU单片机芯片共同组成；CPLD PCB设计有16路5V电平输入和16路5V电平输出接口；16路输入接口在电路设计上都采用了光耦合器对信号采取隔离保护；16路输出接口在电路设计上都采用了磁耦合器对信号采取隔离保护，有独立的专用DC/DC电源为磁耦合器供电；CPLD PCB设计有专用UART异步通信接口2个，分别连接MCU芯片和CPLD芯片；CPLD PCB设计有专用紧急停止继电器1个，继电器为两绕组闭锁型，有2组独立输出接口，该继电器由HC手柄控制器直接控制；继电器电路板设计有16路干节点信号输入和8路干节点信号输出接口；16路输入接口在电路设计上都采用了光耦合器对信号采取隔离保护；16路输出接口共使用8个两绕组闭锁型继电器；信号处理器采用两路DC电源供电，供电电压分别为5V和12V，有2个独立面板开关控制电源通断。通过这样设计信号处理器，简化统一了与各子系统之间的通信数据接口，结合核心逻辑控制器件的工作特点，尽可能精简人工干预过程，从而提高整体系统的自动化控制程度，可以通过几个简单的按钮式操作完成对加速器的操作，为医用加速器终端一键调束功能实现提供基础设备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种信号处理器，其特征在于，包括：

输入接口，用于接收电平信号和干节点信号；

复杂可编程逻辑电路板，用于处理所述电平信号并编码得到开关量输出信号，其中，所述复杂可编程逻辑电路板上设有控制手柄接口；

继电器电路板，用于对所述干节点信号放大后传递至所述复杂可编程逻辑电路板进行处理得到继电器输出信号，并对所述继电器输出信号进行放大；

输出接口，用于输出所述开关量输出信号和所述继电器输出信号；

其中，所述复杂可编程逻辑电路板与所述继电器电路板通过数据扁平电缆连接。

2.根据权利要求1所述的信号处理器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑电路板包括复杂可编程逻辑芯片和微控制单元芯片；

所述复杂可编程逻辑芯片用于处理所述电平信号并编码得到开关量输出信号；

所述微控制单元芯片用于将所述开关量输出信号和继电器输出信号转化为字符串信号后传递至控制终端。

3.根据权利要求2所述的信号处理器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑电路板上设有至少两个通用异步收发传输通信接口，所述复杂可编程逻辑芯片连接有至少一个通用异步收发传输通信接口，所述微控制单元芯片连接有至少一个通用异步收发传输通信接口。

4.根据权利要求1所述的信号处理器，其特征在于，所述输入接口包括开关量输入接口和干节点输入接口，

所述开关量输入接口用于接收电平信号；

所述干节点输入接口用于接收干节点信号。

5.根据权利要求1所述的信号处理器，其特征在于，所述输出接口包括开关量输出接口和继电器输出接口，

所述开关量输出接口用于输出所述开关量输出信号；

所述继电器输出接口用于输出所述继电器输出信号。

6.根据权利要求2所述的信号处理器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑芯片与所述输入接口之间设有隔离保护电路，所述复杂可编程逻辑芯片与所述输出接口之间设有隔离放大电路。

7.根据权利要求1所述的信号处理器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑电路板设有紧急停止继电器，用于输出紧急停止信号。

8.根据权利要求1所述的信号处理器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑电路板与所述继电器电路板分别采用至少两路直流电源供电。

9.根据权利要求7所述的信号处理器，其特征在于，所述紧急停止继电器为双触点继电器。

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