PC機對西門子設備測試調整的接口設計與制作

虞靖彬

山東中醫藥大學 設備處，山東 濟南250355

PC機對西門子設備測試調整的接口設計與制作

虞靖彬

山東中醫藥大學 設備處，山東 濟南250355

為方便使用PC機對醫療設備進行測試與調整，本文利用現有計算機串行通訊技術，著重研究了PC機通用的RS232接口及西門子醫療設備的晶體管-晶體管邏輯接口功能，并對兩者之間的電平轉換和信號匹配進行了詳實的描述和設計。設計出PC機與西門子設備連接的接口電路，用PT510仿真軟件實現了對西門子設備的測試和調整。總之，本設計很好地解決了用PC機與醫療設備通訊的問題，臨床維修工程師可以方便地將仿真軟件裝入到PC機中，隨時對設備進行檢測，使得檢測和維修更加方便快捷。

串行通訊；接口電路；電平轉換；醫療設備

引言

西門子醫療設備種類眾多，用途各異。每種設備組成部分比較復雜，且都有其相應的測試手段和方法。通過這些手段，當機器出現問題，我們就能方便快捷判斷出故障，并進行測試和調整[1-6]。PT510作為其中的一種專用測試終端，可以測試一些設備的組成部分，如西門子數字減影的C型臂部分coroskop、Somatom DR CT機的高壓Micomatic[7]。如果在PC機上裝有仿真軟件，通過設計出PC機與這些設備的接口電路，就能為維修工程師提供簡便快捷的檢測調整手段[8-10]。本文利用計算機串行通訊技術，在現成PT510仿真軟件前提下，設計出PC機與C型臂coroskop的接口電路，完成數據的準確傳送。

1 設計思路及方法

本文主要解決的問題是用PC機軟件實現對西門子DRG/ DRH/CT等設備高壓部分測試與調整。但由于PC機與醫療設備端接口不同，PC機是9針接口，而設備端是15針接口，PC機接口板通常用RS232進行通訊，而醫療設備接口電路多為單片機，采用晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic，TTL）方式進行通訊，兩者無法實現簡單的相連，要實現以上功能，首先要設計接口轉換電路，保證PC機與醫療設備信號的正確傳輸控制，達到測試與調整目的。

根據以上思路，我們可以知道由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者對接時，須進行電平轉換。PC機與設備單板機之間的串行異步通訊采用RS232接口電路實現，利用計算機的串行接口進行數據傳輸。因為RS232邏輯電子對地是對稱的， 其邏輯“1”電平為（-5～-15）V之間，邏輯電平“0”為（+5～+15）V之間，其與單片機的邏輯電平不一致，須進行電子轉換。

由此分析，我們可以先設計出接口電路的原理線路：PC機-PC機接口電路-電平轉換電路-醫療設備接口電路-醫療設備。

本接口電路的工作原理是把PC機的RS232電平轉換成TTL電平，再進行電平匹配，加上設備特性需要的接口，在設備內部經過驅動轉換成TTL電平，通過異步通信接口適配器，實現與醫療設備的通訊。具體電路可以包含以下幾個部分：

（1）PC接口電路：PC機接口為9針串口，為標準的RS232接口，為實現與外部電路的接口，可以通過專門的RS232接口電路實現。

（2）電平轉換匹配電路：把計算機的電平轉換成醫療設備需要的電平。

（3）設備接口電路：PT510與醫療設備均為15針的接口，兩者也需要一致的接口特性電路。

在計算機串行通訊技術中，通常采用MAX232芯片可分別實現TTL～RS232和RS232～TTL之間的電平轉換。

2 電路設計與分析

要更好地完成電路設計，需對每一組成部分電路進行詳細分析，從而找到實現電平轉換功能及信號匹配的辦法。

2.1 P C接口電路

通常此電路都選擇專用的RS232接口電平轉換集成電路進行設計，如MAX232、HIN232等[11-13]。在這里，我們采用常用的MAX232（圖1）來解決。MAX232是一種雙組EIA-232驅動器接收器，片內含電容性電壓發生器，可在單5 V電源供電時提供EIATIA-232-E電平。每個接收器將EIATIA-232-E電平輸入轉換為5 V的TTLCMOS電平[14]。

TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。

由于芯片內部有自升壓的電平倍增電路，將5 V轉換成（-10～+10）V，滿足RS-232C的邏輯“1”和邏輯“0”的電平要求。

工作時僅需單一的+5 V電源。其片內有兩個發送器，兩個接收器，有TTL信號輸入/RS-232C輸出的功能，也有RS-232C輸入/TTL輸出的功能。該芯片與TTL/CMOS電平兼容，使用比較方便。

圖1 MAX232內部原理圖

使用MAX232實現TTL/RS-232C之間的電平轉換示意電路，見圖2。

圖2 MAX232的電平轉換示意圖

2.2 設備內部電路分析

西門子設備接口電路板里面大部分采用MC68B50異步通信接口適配器和緩沖驅動放大器ua9636a、ua9637a實現通信控制和輸入輸出驅動。下面是其內部電路簡要分析。

2.2.1 設備內部電路信號傳輸

（1）設備內部信號發射電路。MC68B50（TTL電平）信號TXD（邏輯電平為“1”）通過pin6-＞經驅動i40（ua9636a）的pin2腳-＞i40的pin7-＞電阻R23-＞三極管v4 （bc327）的b極-＞電阻R22-＞接口K39的pin7-＞接口電路PT510的RXD+，其中接口K39的pin2與PT510的RXD-同時接GND。

（2）設備內部信號接收電路。接口電路PT510的TXD+信號經接口K39的pin13-＞設備內部驅動i38（ia9637a） 的pin5-＞i38（ia9637a） 的pin3-＞MC68B50接收信號RXD的pin2,其中電源正端V+接PT510的pin6和pin11，電源負端接V-接PT510的pin9（TXD-）。

2.2.2 PT510維修終端DB15的各接口定義

為了知道如何將設計的轉換電路接口更好地與PT510的DB15接口之間相連，我們需知道PT510維修終端DB15的各接口定義如下：

1-SCREEN GND；2-RXD-；3-Vcc；4-SPARE；5-CHASSIS GND；6-PULL+；7-RXD+；8-SCREEN GND；9-TXD-；10-SPARE；11-PULL-；12-RXD-；13-TXD+；14-Vcc；15-CHASISS GND。

2.2.3 設備接口電路設計

根據電路的分析及對PT510終端和設備各個管腳的功能了解，可按以下思路進行接口電路DB15各接口連接，DB15的pin1、5、8、15接地（GND）,轉換接口電路部分GND接DB15的pin8；Vcc接接口電路pin3；pin6-pin11；轉換接口電路的TXD分別接DB15的pin7 (+)、pin2 (-)；轉換接口電路的TXD分別接DB15的RXD：pin13 (+)、pin9 (-)。

2.2.4 信號發射電路外圍電路

為了減少輸入與輸出之間信號的干擾，信號發射電路部分可以用光耦實現驅動輸出[15]。信號發射電路外圍電路圖pin7 (+)、pin2 (-)，見圖3。

圖3 信號發射電路外圍電路圖

2.2.5 信號接收電路外圍電路

為保證信號傳輸的準確和及時性，信號接收電路部分可以用高頻開關管連接實現[16]。信號接收電路外圍電路圖pin13 (+)、pin9 (-)，見圖4。

圖4 信號接收電路外圍電路圖

2.3 電平匹配電路設計

根據以上分析，為更好實現電平匹配，電路可按以下思路設計：設備信號發射電路部分無需增加相應電路就實現了電平匹配；設備信號接收電路部分需增加幾個高速開關管，才能實現電平匹配。

2.4 接口電路原理分析

綜合以上分析，具體接口設計電路，見圖5。為進一步驗證電路設計是否合理，對電路及電位的分析情況如下。

2.4.1 電路分析

（1）PC發送信號。MAX232實現了RS232電平轉換為TTL電平（pin11/MAX232），因為設備接口三極管T3需要其c、e極懸空（有上拉、下拉電源），所以必須加上e極接地的三極管T1，但這樣將導致電平相反，加上T2就可實現電平匹配。電阻的選擇為達到低功耗需要，同時不影響這3個高速開關管的開關特性。二極管D1為減少干擾。pin6/PT510（DB15）與pin11/DB15相連，是為了信號發送上拉、下拉電源形成回路。

（2）PC接收信號。設備驅動輸出通過光耦器件4N35輸出，一是通過光耦隔離輸出，減少輸入與輸出之間干擾，二者實現了電平匹配，簡單實用。

2.4.2 整個信號傳輸的電位分析

（1）PC發送信號。PC電平“1”經DB9接口pin3-＞的pin13-＞經非門轉換電平轉換集成電路（MAX232）的pin12成“0”電平-＞T1截止-＞T2的C極為高電平“1”-＞T3導通，C極為低電平-＞DB10的10腳（即PT510的的TXD信號）為低電平“0”-＞設備內部電路i38（ia9637a）的pin5-＞i38的pin3轉為高電平“1”-＞MC68B50（TTL電平）pin2（RXD）為“1”。

（2） PC接收信號。MC68B50（TTL電平）的pin6（TXD）為“1”-＞i40（ia9636a）的pin2-＞i40的pin7輸出為“0”-＞v4（bc327）的c端輸出為“1”-＞K39（RXD+/PT510）的pin7輸出為“1”-＞光耦IC2導通-＞電平轉換集成電路（MAX232）pin11輸入為“1”-＞MAX232的pin14輸出為“1”（-3V）-＞DB9的pin2為“1”（-3V）-＞PC機。

圖5 接口電路圖

由此可以看出，由PC端發送到設備接收端的電平匹配沒問題。通過該接口電路，PC機和醫療設備之間可以正常通訊。

2.5 電路制作及應用

根據實際電路圖，結合通用集成電路速查手冊，確定所用集成塊的型號及各管腳功能，根據本設計需要，確定以下材料：9母針插頭一個；15針公插頭一個；5 m網線；一塊7 cm×5.5 cm印刷電路板；集成塊MAX232、4N35及相應的集成塊座各一個；5個10 uF電容；電阻：1、3.3、4.7、5.6、10 K各一個，150 Ω兩個；高速開關三極管：BC546兩個、BC557一個。

確定好公共電源和地的分布，在電路板上插上各個元件，對著電路圖分別進行核對，以減少連線、就近為原則，反復調整，最后焊接、修整、連外界線和插頭。

本接口電路做好后，連在西門子數字減影C型臂部分Coroskop上，接上PC機，運行PT510終端仿真軟件，設置通訊特性參數，然后觸發聯機，顯示出設備單板控制機的軟件版本信息，進行軟件測試和機器調整，一切運行正常，說明該電路能正常實現設計要求。該電路與西門子Micromatic CT高壓部分、Digicam相機連接都能實現聯機檢測。

3 結論和討論

此次設計是針對醫療放射設備與PC機進行信號通訊所進行的硬件設計。電路的設計涉及醫用放射設備工作的基本原理、計算機通訊、數字電路及電子電路基礎等基本知識。電路中運用了計算機通訊技術中常采用的單片機與PC機互相通信所用電平轉換電路，通過設計，很好地解決了用PC機與醫療設備通訊的問題，臨床維修工程師可以方便地將仿真軟件裝入到PC機中，隨時對設備進行檢測，使得檢測和維修更加方便快捷。

需要注意的是，由于設備內部電路不同，轉換電路所用的外圍電路會有所不同，實際運用中，針對不同品牌醫療設備，應對設備的工作原理進行詳細分析，找清各路信號的來龍去脈，然后采用具體的電路進行匹配，如果生搬硬套某一個電路，很可能會導致控制信號之間的不匹配，從而不能達到預期效果，更有甚者會損壞設備的內部電路。

接口線路板的制作，涉及的電子元件比較多，在選擇電子元件的時候，應計算好元件的功率、電流等參數，可利用《通用集成電路速查手冊》等工具書來選擇。同時，由于外圍的電子元件種類多，所以制作時候要設計好元件的位置和布線，避免接線錯誤，同時調試的時候除用萬用表測試，同時還需用示波器等檢測設備進行測試后再與設備相連，避免對醫療設備電路造成損害。

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本文編輯 袁雋玲

Design and Manufacture of Interface Circuit for PC to Adjust Siemens Device

Y U J i n g-b i n

Department of Equipment, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355, China

In order to facilitate the use of PC to test and adjust medical equipment, the present performed a research based on the existing computer serial communication technology. In this study, the commonly used interface circuit RS232 of the PC and the transistor-transistor logic interface circuit of Siemens medical equipment were chosen to conduct this research. The conversion and signal matching of them were described and designed in detail. Finally, an interface circuit that could connected PC with Siemens device was designed, and PT510 simulation software was used to test and adjust the interface circuit in Siemens device. In a word, this design can successfully solve the connecting problem between the PC and the medical device. The clinical maintenance engineer can detect the equipment at any time via loading the simulation software into the PC, which makes the detection and maintenance more conveniently and quickly.

serial communications; interface circuit; level transformation; medical device

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.009

1674-1633(2017)07-0031-04

2016-11-30

2017-01-02

作者郵箱：15866700768@163.com