一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置的製作方法

2023-05-13 17:15:46

本實用新型涉及X光機技術領域，特別涉及一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置。

背景技術：

為了滿足更多地拍攝角度、位置以及擺位自動化的要求，在數位化X攝影系統中需要一種多軸運動控制電路來驅動不同的電機、控制其他外設。現有的設計方案大多採用單一總線的控制方式或者多個主控電路相互協調的方式或者二者兼有的方式。這些現有的方案一般只針對某種特定型號的機型進行的設計，缺乏通用性。當需要增加更多維度的運動控制時，總線結構單一，則需要重新設計電路。

因此有必要對現有技術進行改進。

技術實現要素：

鑑於上述現有技術的不足之處，本實用新型的目的在於提供一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置，以解決現有多軸運動控制電路總線單一導致兼容性差的問題。

為了達到上述目的，本實用新型採取了以下技術方案：

一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置，其包括主控板底板；主控板底板上設置有：

用於兼容若干通信協議並傳輸處理對應的數據，執行外部輸入信號對應的控制並控制模擬量採集的第一核心板；

用於與第一核心板進行數據交互，對相應的外設進行時序控制、電機驅動的第二核心板；

在主控板底板上還設置有：

用於與相應的外設進行RS485通信的第一通信模塊；

用於與相應的外設進行CAN通信的第二通信模塊；

用於採集相應外設的模擬量，輪詢採集若干個內置模擬量的模擬採集模塊；

用於與相應的外設進行IO通信的若干個I/O埠；

所述主控板底板通過接插件連接的第一核心板和第二核心板；所述第一核心板連接第二核心板、第一通信模塊、第二通信模塊、模擬採集模塊和至少一個I/O埠，所述第二核心板連接至少一個I/O埠。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述第一核心板為STM32核心板，型號為STM32F103ZET6；所述第二核心板為FPGA核心板，型號為XC6SLX25CSG324。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述第二通信模塊包括：

用於進行電平轉換，與相應的外設進行CAN通信的第一CAN單元；

用於將SPI通信轉換為CAN通信、進行電平轉換後與相應的外設進行CAN通信的第二CAN單元；

所述第一CAN單元、第二CAN單元均連接第一核心板。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述模擬採集模塊包括；

用於單路採集相應外設的模擬量的若干個單通道採集單元；

用於輪詢採集各供電電壓的輪詢採集單元；

所述若干個單通道採集單元、輪詢採集單元均連接第一核心板。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述第一通信模塊包括電平轉換晶片、接口、第一電阻、第二電阻、第一指示燈和第二指示燈；

所述電平轉換晶片的第1腳連接第一指示燈的負極和第一核心板，第一指示燈的正極通過第一電阻連接第一電源端，電平轉換晶片的第2腳連接第3腳和第一核心板，電平轉換晶片的第4腳連接第二指示燈的負極和第一核心板，第二指示燈的正極通過第二電阻連接第一電源端，電平轉換晶片的第6腳連接接口的第3腳和第5腳，電平轉換晶片的第7腳連接接口的第4腳和第6腳，電平轉換晶片的第8腳連接第二電源端，電平轉換晶片的第5腳接地，接口的第2腳和第7腳接地。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述第一CAN單元包括第一三態轉換晶片、第二三態轉換晶片、CAN收發器、靜電保護器、第三電阻、第四電阻、第三指示燈和第四指示燈；

所述第一三態轉換晶片的VCCB腳連接第一電源端，第一三態轉換晶片的DIR腳和GND腳接地，第一三態轉換晶片的B腳連接第三指示燈的負極和第一核心板，第三指示燈的正極通過第三電阻連接第一電源端，第一三態轉換晶片的VCCA腳連接第二電源端，第一三態轉換晶片的A腳連接CAN收發器的TXD腳；

所述第二三態轉換晶片的VCCA腳連接第一電源端，第二三態轉換晶片的DIR腳和GND腳接地，第二三態轉換晶片的A腳連接第四指示燈的負極和第一核心板，第四指示燈的正極通過第四電阻連接第一電源端，第二三態轉換晶片的VCCB腳連接第二電源端，第二三態轉換晶片的B腳連接CAN收發器的RXD腳；

所述CAN收發器的Vin腳連接第二電源端，CAN收發器的GND腳接地，CAN收發器的CANG腳連接CAN總線的地和靜電保護器的第1腳；CAN收發器的CANL腳連接對應的外設和靜電保護器的第3腳，CAN收發器的CANH腳連接對應的外設和靜電保護器的第2腳。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述第二CAN單元包括CAN控制器、晶振、第一電容、第二電容、第五電阻、第六電阻、第七電阻和CAN電路；

所述CAN控制器的TXCAN腳連接CAN電路的第一傳輸端，CAN控制器的RXCAN腳連接CAN電路的第二傳輸端，CAN控制器的OSC2腳連接晶振的第2腳和第一電容的一端，CAN控制器的OSC1腳連接晶振的第1腳和第二電容的一端，第一電容的另一端連接第二電容的另一端、CAN控制器的VSS腳和地；CAN控制器的VDD腳連接第一電源端；CAN控制器的/RESET腳連接第一核心板、還通過第五電阻連接第一電源端；CAN控制器的/CS腳通過第六電阻接地、還通過第七電阻連接第一核心板；CAN控制器的SO腳連接CAN控制器的RXCAN腳和第一核心板，CAN控制器的SI腳連接CAN控制器的TXCAN腳和第一核心板，CAN控制器的SCK腳、/INT腳均連接第一核心板，CAN電路的第三傳輸端、第四傳輸端連接對應的外設。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述單通道採集單元包括SMA插件，所述SMA插件的第1腳連接第一核心板，SMA插件的第2腳接地，SMA插件的第1腳與對應外設的探針連接。

所述的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置在，所述輪詢採集單元包括多路開關晶片和保護二極體：

所述多路開關晶片的第13腳連接第三電源端，多路開關晶片的第14腳連接第一電源端，多路開關晶片的第15腳連接第四電源端，多路開關晶片的第13腳連接第二電源端，多路開關晶片的第1腳連接USB電源端，多路開關晶片的第5腳、第2腳、第4腳、第7腳、第8腳均接地，多路開關晶片的第16腳連接第五電源端，多路開關晶片的第9腳、第10腳、第11腳均連接第一核心板，多路開關晶片的第3腳連接保護二極體的負極和第一核心板，保護二極體的正極連接多路開關晶片的第6腳和地。

相較於現有技術，本實用新型提供的一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置，包括主控板底板，與主控板底板通過接插件連接的第一核心板和第二核心板；在主控板底板上集成有第一通信模塊，第二通信模塊，模擬採集模塊和至少1個I/O埠；第一核心板連接第二核心板、第一通信模塊、第二通信模塊、模擬採集模塊和1個I/O埠，所述第二核心板連接1個I/O埠。第一核心板用於兼容若干通信協議並傳輸處理對應的數據，執行外部輸入信號對應的控制並控制模擬量採集；第二核心板用於與第一核心板進行數據交互，對相應的外設進行時序控制、電機驅動；第一通信模塊用於與相應的外設進行RS485通信；第二通信模塊用於與相應的外設進行CAN通信；模擬採集模塊採集相應外設的模擬量，輪詢採集若干個內置模擬量；若干個I/O埠用於與相應的外設進行IO通信。由於兼容了RS232、RS485、CAN多種通信總線技術，可同時控制多種不同通信協議的部件。採用「底板+兩塊核心板」的結構設計，需要改變「核心板」方案時，只需根據核心板接口定義換用其他型號的「核心板」。在產品升級中無需重新設計和改動，滿足通用性和模塊化的需求。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置應用實施例的結構圖。

圖2為本實用新型提供的多軸聯動X光機主控裝置中第一通信模塊的電路圖。

圖3為本實用新型提供的多軸聯動X光機主控裝置中第一CAN單元的電路圖。

圖4為本實用新型提供的多軸聯動X光機主控裝置中第二CAN單元的電路圖。

圖5為本實用新型提供的多軸聯動X光機主控裝置中單通道採集單元的電路圖。

圖6為本實用新型提供的多軸聯動X光機主控裝置中輪詢採集單元的電路圖。

具體實施方式

本實用新型提供一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置，應用於多軸聯動、多種通信方式傳輸數據的醫用數字X光影像設備中，設置在多種數位化X攝影系統的主控電路板中，集成了RS232、RS485、CAN多種通信總線技術，可控的運動部件數量可達數十個。採用「底板+兩塊核心板」的結構設計，需要改變「核心板」方案時，只需根據核心板接口定義換用其他型號的「核心板」。在產品升級中無需重新設計和改動，滿足通用性和模塊化的需求。為使本實用新型的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

本實用新型提供一種多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置，如圖1所示，包括主控板底板10，與主控板底板10通過接插件連接的第一核心板20和第二核心板30；在主控板底板10上集成有第一通信模塊40，第二通信模塊50，模擬採集模塊60和至少1個進行IO通信的一組（多個）I/O埠。所述第一核心板20連接第二核心板30、第一通信模塊40，第二通信模塊50，模擬採集模塊60和一組（至少一個）I/O埠，所述第二核心板連接時序控制接口和一組（至少一個）I/O埠（用於脈衝輸出，可連接脈衝輸出接口）。

本實施例中，所述第一核心板20用於兼容若干通信協議並傳輸處理對應的數據，執行外部輸入信號對應的控制並採集模擬量。其可採用型號為STM32F103ZET6的STM32核心板；其內部還設置有EEPROM，可實現掉電保存功能。所述第二核心板30用於與第一核心板進行數據交互，對相應的外設進行時序控制、電機驅動和曝光指示，其可採用型號為XC6SLX25CSG324的FPGA核心板。兩個核心板的雙排端子與主控板底板10插接。雙排端子上相鄰兩個PIN腳之間的間距為1.27mm。在具體實施時，可根據實際需求改變核心板的類型，如兩個均用FPGA核心板或STM32核心板，或如本實施例採用一個FPGA核心板和一個STM32核心板；此處對其類型不作限定。由於核心板是採用接插件的方式與主控板底板10插接的，需要更換時刻直接替換，無需改變其他電路結構。

所述第一通信模塊40可採用RS485通信協議，用於通過RS485總線與外接的富士Smart5伺服電機驅動器進行通信。第一通信模塊40可以連接多個採用RS485通信的伺服電機，或者其他採用RS485通信的設備。如圖1所示的通過RS485總線控制RS485總線運動系統的電機A，電機A再通過RS485總線控制電機B，電機B通過RS485總線控制其他設備。

所述第二通信模塊50採用CAN通信協議，用於採用CAN通信協議與外接的設備進行通信。第二通信模塊50包括：第一CAN單元510，用於通過CAN總線與外接的伺服電機驅動器、影像工作站進行CAN0通信；第二CAN單元520，用於將SPI接口轉換為CAN接口，與外接的限束器進行CAN1通信。所述第一CAN單元510、第二CAN單元520均連接第一核心板。

為了更快速的實現某些模擬量的採集，所述模擬採集模塊60包括至少1個單通道採集單元，用於單路採集一種模擬量；此處可設置為3個，分別採集的模擬量為AIN1、AIN2、AIN3。輪詢採集單元，用於輪詢採集若干個通道模擬量，即AIN4通過CD4051晶片進行擴展來依次採集8個通道的模擬量（為電壓信號）。所述若干個單通道採集單元、輪詢採集單元均連接第一核心板。

本實施例設置2組I/O埠，第一組I/O埠連接第一核心板20、外部的按鍵（輸入設備）或其他輸入輸出設備（鍵盤、顯示屏），用於將外部的輸入信號傳輸給第一核心板20，及將第一核心板20輸出的數據傳輸至其他輸入輸出設備上顯示。第二組I/O埠連接第二核心板30、外部的其他輸入輸出設備、伺服驅動器和步進電機運動系統，用於將外部的輸入信號傳輸給第二核心板30，將第二核心板30輸出的數據傳輸至其他輸入輸出設備上顯示；在第二核心板30與伺服驅動器間進行IO通信，脈衝輸出可控制伺服電機驅動器進而控制伺服電機的運動；還將第二核心板30輸出的PWM控制信號傳輸給步進電機運動系統進行控制。

在具體實施時，所述多軸聯動X光機主控裝置還包括用於對第二核心板進行復位的復位電路，用於與外部設備進行RS232通信的第三通信模塊，用於將第二核心板輸出的時序信號傳輸給外部的高壓平板接口電路的時序控制接口。第三通信模塊的串口通信可控制「串口液晶」顯示。時序控制接口與高壓平板接口電路連接，進而控制高壓發生器發射X光，控制平板探測器在X光發射時採集圖像。這些模塊為現有技術，此處對其具體結構不作詳述。

請一併參閱圖2，所述第一通信模塊40包括電平轉換晶片U1、接口P1、第一電阻R1、第二電阻R2、第一指示燈D1和第二指示燈D2；所述電平轉換晶片U1的型號為DS3695；所述電平轉換晶片U1的第1腳連接第一指示燈D1的負極和第一核心板20，第一指示燈D1的正極通過第一電阻R1連接第一電源端3V3B，電平轉換晶片U1的第2腳連接第3腳和第一核心板20，電平轉換晶片U1的第4腳連接第二指示燈D2的負極和第一核心板20，第二指示燈D2的正極通過第二電阻R2連接第一電源端3V3B，電平轉換晶片U1的第6腳連接接口P1的第3腳和第5腳，電平轉換晶片U1的第7腳連接接口P1的第4腳和第6腳，電平轉換晶片U1的第8腳連接第二電源端5VB，電平轉換晶片U1的第5腳接地，接口P1的第2腳和第7腳接地。

其中，接口P1採用RJ45網絡連接器，能方便外設插拔接線，還能實現RS485總線上設備的擴展；並且此RJ45網絡連接器具有良好的屏蔽性能，能夠提高總線的抗幹擾能力。第一核心板20輸出使能信號RS485_EN啟動所述電平轉換晶片U1，第一核心板20輸出的發射信號RS485_TX（需傳輸給外設的發射數據）通過電平轉換晶片U1轉換為RS485通信協議需要的電壓幅值，並通過接口P1傳輸給對應的外設，發射數據時第二指示燈D2閃爍使用戶明白當前處於發射狀態。當外設反饋數據時，接口P1接收後由電平轉換晶片U1轉換為第一核心板20需要的電壓幅值，輸出接收信號RS485_RX給第一核心板20，接收數據時第一指示燈D1閃爍使用戶明白當前處於接收狀態。

請一併參閱圖3，所述第一CAN單元510（CAN0通信）包括第一三態轉換晶片U2、第二三態轉換晶片U3、CAN收發器U4、靜電保護器U5、第三電阻R3、第四電阻R4、第三指示燈D3和第四指示燈D4。所述第一三態轉換晶片U2的VCCB腳連接第一電源端3V3B，第一三態轉換晶片U2的DIR腳和GND腳接地，第一三態轉換晶片U2的B腳連接第三指示燈D3的負極和第一核心板20，第三指示燈D3的正極通過第三電阻R3連接第一電源端3V3B，第一三態轉換晶片U2的VCCA腳連接第二電源端5VB，第一三態轉換晶片U2的A腳連接CAN收發器U4的TXD腳；

所述第二三態轉換晶片U3的VCCA腳連接第一電源端3V3B，第二三態轉換晶片U3的DIR腳和GND腳接地，第二三態轉換晶片U3的A腳連接第四指示燈D4的負極和第一核心板20，第四指示燈D4的正極通過第四電阻R4連接第一電源端3V3B，第二三態轉換晶片U3的VCCB腳連接第二電源端5VB，第二三態轉換晶片U3的B腳連接CAN收發器U4的RXD腳；

所述CAN收發器U4的Vin腳連接第二電源端5VB，CAN收發器U4的GND腳接地，CAN收發器U4的CANG腳連接CAN總線的地CAN0_GND和靜電保護器U5的第1腳；CAN收發器U4的CANL腳連接對應的外設和靜電保護器U5的第3腳，CAN收發器U4的CANH腳連接對應的外設和靜電保護器U5的第2腳。

所述第一三態轉換晶片U2和第二三態轉換晶片U3的型號為74LVC1T45，全名為三態輸出電壓轉換晶片。CAN收發器U4的型號為CTM1050T，能隔離DC2500V並且具有ESD保護功能。基於第一核心板20（STM32核心板）自帶一個CAN區域網路控制器，且其電平與CAN收發器U4的電平不一致。本實施例將採用CAN通信協議傳輸的發射信號CAN0_TX通過第一三態轉換晶片U2進行電平轉換，使其電壓幅值滿足CAN通信協議的要求後輸出給對應的外設。外設反饋的信號通過CAN收發器U4接收、並通過第二三態轉換晶片U3電平轉換為STM32核心板需要的電壓幅值，傳輸給STM32核心板。在CAN總線接口處使用靜電保護器U5（靜電保護二極體）能避免外部靜電、浪湧電磁幹擾對CAN收發器的損壞。

請一併參閱圖4，所述第二CAN單元520（CAN1通信）包括CAN控制器U6、晶振X1、第一電容C1、第二電容C2、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7和CAN電路521。所述CAN控制器U6的型號為MCP2515；所述CAN控制器U6的TXCAN腳連接CAN電路521的第一傳輸端TX，CAN控制器U6的RXCAN腳連接CAN電路521的第二傳輸端RX。CAN控制器U6的OSC2腳連接晶振X1的第2腳和第一電容C1的一端，CAN控制器U6的OSC1腳連接晶振X1的第1腳和第二電容C2的一端，第一電容C1的另一端連接第二電容C2的另一端、CAN控制器U6的VSS腳和地；CAN控制器U6的VDD腳連接第一電源端3V3B；CAN控制器U6的/RESET腳連接第一核心板20、還通過第五電阻R5連接第一電源端3V3B；CAN控制器U6的/CS腳通過第六電阻R6接地、還通過第七電阻R7連接第一核心板20；CAN控制器U6的SO腳連接CAN控制器U6的RXCAN腳和第一核心板20，CAN控制器U6的SI腳連接CAN控制器U6的TXCAN腳和第一核心板20，CAN控制器U6的SCK腳、/INT腳均連接第一核心板20，CAN電路521的第三傳輸端CAN1_L、第四傳輸端CAN1_H連接對應的外設。

第一核心板20輸出復位信號SPI2_RESET對CAN控制器U6進行復位，還能輸出是使能信號對CAN控制器U6進行使能啟動，還輸出CAN控制器U6的時鐘信號SPI2_CLK使其工作。本實施例使用STM32核心板的SPI2控制器驅動CAN控制器U6，將SPI通信總線傳輸的數據轉換為CAN1通信總線傳輸的數據，CAN控制器U6輸出的發射信號TXCAN1通過與CAN電路521進行電平轉換後、再轉換成CAN1通信總線（CAN1_L、CAN1_H）連接對應的外設（限束器或其他擴展設備），CAN1通信總線接收的信號數據通過CAN電路521接收、電平轉換後，輸出對應的接收信號RXCAN1，再經過CAN控制器U6轉換為SPI通信方式輸出給第一核心板20。其中，CAN電路521的電路結構與第一CAN單元510完全相同，此處對其不作詳述。

請一併參閱圖5，各單通道採集單元的電路結構相同，此處以1個為例，所述單通道採集單元包括SMA插件T1，所述SMA插件T1的第1腳連接第一核心板20，SMA插件T1的第2腳接地。SMA插件T1的第1腳與對應外設的探針連接，進行模擬量的採集，並將採集的模擬量AIN1傳輸給第一核心板20。

請一併參閱圖6，所述輪詢採集單元包括多路開關晶片U7和保護二極體Z1；所述多路開關晶片U7的型號為CD4051B；所述多路開關晶片U7的第13腳連接第三電源端2V5B，多路開關晶片U7的第14腳連接第一電源端3V3B，多路開關晶片U7的第15腳連接第四電源端24VB，多路開關晶片U7的第13腳連接第二電源端5VB，多路開關晶片U7的第1腳連接USB電源端USB_VCC，多路開關晶片U7的第5腳、第2腳、第4腳、第7腳、第8腳均接地，多路開關晶片U7的第16腳連接第五電源端A5V，多路開關晶片U7的第9腳、第10腳、第11腳均連接第一核心板20，多路開關晶片U7的第3腳連接保護二極體Z1的負極和第一核心板20，保護二極體Z1的正極連接多路開關晶片U7的第6腳和地。

為了實時監測整個多軸聯動X光機中各個電路板的供電情況，第一核心板20輸出3個控制信號AnalogInCtrl_A、AnalogInCtrl_B、AnalogInCtrl_C依次組合成8種控制組（000、001、010、011、100、101、110、111），每個控制組分別控制多路開關晶片U7內的切換腳（第3腳）依次連接對應的連接端（0~7），如000連接連接端7（對應地13腳），001連接連接端1（對應地14腳），依次類推，這樣就能依次採集各個電源端上的電壓值並傳輸（AIN4）給第一核心板20進行檢測，以判斷各電源端的電壓值是否正確穩定。這樣可以儘量少地佔用STM32核心板的IO埠。

綜上所述，本實用新型提供的多總線兼容的多軸聯動X光機主控裝置，兼容了多種通信總線，採用總線型運動控制方式，可同時控制多種不同通信協議的部件。採用「底板+兩塊核心板」的模塊化通用性電路設置，可以大大縮短新產品的開發周期、增加電氣硬體資源重複利用率、降低研發及生產成本。與傳統主控電路相比更具有應用通用性和升級的靈活性，完全滿足多機型應用要求。該多軸聯動X光機主控裝置經實際測試可以應用在懸吊式X射線機、移動式X射線機、「乳腺機」機型中，可以減少新機型主控板硬體的研發成本，對醫療X成像設備縮短新產品開發周期（縮短研發周期三個月以上），對國產醫療器械新機型的快速研製有巨大的推動作用。

可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。