專利名稱：電子設備探頭擴展裝置及主機對擴展探頭的控制方法
電子設備探頭擴展裝置及主機對擴展探頭的控制方法技術領域：
本發明涉及一種電路裝置及控制方法，特別涉及一種用于電子設備的 探頭擴展裝置的結構與相關的控制方法。背景技術：
現有技術中， 一些電子設備，例如便攜式超聲診斷設備，由于其自身 輕便性的要求和結構的特點，在主機設備上只有一個超聲探頭的插座。這 樣的結構增加了醫生使用超聲設備過程中更換超聲探頭的頻次，使超聲探 頭插頭在操作過程中受損的可能性增大。因此出現了針對便攜式超聲診斷 設備的探頭擴展裝置，被用于增加系統的探頭接口，這種擴展裝置能夠一 定程度上減少探頭的更換，避免損壞。
超聲診斷系統對于探頭相關的操作是主機系統實時查詢連接到超聲 診斷系統的探頭狀態信號，通過一定的接口選擇性讀取探頭信息，獲知探 頭的型號，并進行工作探頭的切換和參數的配置。對于支持多個探頭同時 連接的探頭擴展裝置，要求其能夠實現探頭狀態的區分、探頭信息的讀取 以及工作探頭的切換等功能。目前類似的實現方案如圖l所示，其實現方 式如下 '
使用高壓開關切換探頭的發射/接收信號，用CPLD (復雜可編程邏輯
器件)控制高壓開關。用開關電路控制工作探頭的選擇，開關信號接到CPLD 上，CPLD解析開關的選擇，并選擇相對應的高壓開關進行工作，使第一探 頭插座或第二探頭插座上的探頭發射/接收信號與主機連接。
第一探頭插座的探頭信息、第二探頭插座的探頭信息、板卡信息等信 號線都直接連到主機上，主機可以隨時讀取信息，并進行相應的識別。
兩個探頭插座的在位指示信號都接到CPLD上，根據開關選擇的不同， 由CPLD產生相應的工作探頭指示信號，主機根據該信號判斷工作探頭并執 行針對性的操作。
包括上述方案的現有技術的探頭擴展裝置，其工作探頭的切換，依靠 手動操作擴展裝置上的開關，不能通過主機自動切換；各個探頭的編碼信 號直接連到主機上，系統的可擴充性不好，并且接口信號的靈活性差；工 作探頭的異常情況依靠操作人員根據自身的判斷作相應處理，不能通過主機系統自動查詢并進行保護，容易造成處理的錯誤，損壞系統接口。
其次，由于使用高壓開關，系統需要為高壓開關提供正、負兩組高壓
電源，同時板上其它器件需要另一組工作電源，因此系統需要提供三組電
源。高壓電源的外接，容易造成操作人員觸電的危險情況；而且高壓開關
價格昂貴，使整個模塊的造價較貴。
另外，現有的探頭擴展裝置體積大，不利于在操作臺上擺放。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種主機自主控制程度高、更為安全可靠 的電子設備探頭擴展裝置及主機對擴展探頭的控制方法。
為實現上述目的，本發明提出一種電子設備探頭擴展裝置，包括控制 器、探頭信號切換電路、第一探頭插座、第二探頭插座、探頭擴展裝置插 頭；所述第一探頭插座、第二探頭插座的發射/接收端分別與所述探頭信號 切換電路連接；所述第一探頭插座、第二探頭插座的通訊接口分別與所述 控制器連接；所述控制器分別輸出控制信號連接所述探頭信號切換電路控 制端、第一探頭插座和第二探頭插座的電源使能端，控制所述探頭信號切 換電路信號切換、第一探頭插座和第二探頭插座的上電；所述探頭信號切 換電路的發射/接收端連接所述探頭擴展裝置插頭，所述控制器設有一通訊 接口連接所述探頭擴展裝置插頭。
上述的電子設備探頭擴展裝置，所述探頭信號切換電路包括繼電器、 繼電器控制模塊，所述控制器輸出控制信號連接所述繼電器控制模塊控制 端，所述繼電器與所述繼電器控制模塊連接。
上述的電子設備探頭擴展裝置，還包括低壓差穩壓器，用于給所述控 制器、探頭信號切換電路、第一探頭插座、第二探頭插座提供工作電壓； 所述控制器輸出電源使能信號控制所述低壓差穩壓器向所述第一探頭插 座、第二探頭插座供電。
上述的電子設備探頭擴展裝置，所述控制器設有一探頭狀態中斷信號 端連接所述探頭擴展裝置插頭；用于當所述控制器檢測到探頭在位狀態信 號中斷時，向電子設備主機發出中斷信號，由主機停止向探頭發射信號。
上述的電子設備探頭擴展裝置，所述主體包括扣板A和扣板B;所述控 制器、探頭信號切換電路布設于扣板A，所述第一探頭插座、第二探頭插 座安裝于扣板B，所述扣板A與扣板B通過連接插座組相扣接并實現電連接。所述連接插座組包括A連接插座組、B連接插座組；所述A連接插座 組包括二對板到板插座，用于實現第一探頭插座與探頭信號切換電路的電
連接；所述B連接插座組包括二對板到板插座，用于實現第二探頭插座與 探頭信號切換電路的電連接。前述的電子設備探頭擴展裝置，所述探頭信 號切換電路部分設于所述A連接插座組的二個插座之間，部分設于所述B 連接插座組的二個插座之間；所述扣板A還設置有用于連接發射/接收信號 電纜的發射/接收信號插座；該發射/接收信號插座至所述探頭信號切換電 路、所述探頭信號切換電路至所述A連接插座組的二個插座的信號走線構 成T型或近似T型；該發射/接收信號插座至所述探頭信號切換電路、所述 探頭信號切換電路至所述B連接插座組的二個插座的信號走線構成T型或 近似T型。
一種電子設備主機對擴展探頭的控制方法，包括對探頭信息的讀取步
驟
1) 通過探頭擴展裝置的控制器查詢探頭在位狀態；
2) 通過控制器對欲進行信息讀取的探頭發出電源使能信號，給相應探 頭供電。
3) 選通相對應探頭的通訊接口，讀取探頭信息；
4) 主機判斷是否探頭信息讀取完成，當主機確認探頭信息讀取完成之 后，給探頭擴展裝置的控制器發送探頭去電命令，控制器控制探頭 的電源使能信號，使相應探頭去電。
上述的控制方法，還包括對探頭拔插的處理流程探頭擴展裝置的控 制器根據探頭在位狀態的變化，產生中斷信號；主機讀取探頭狀態信息； 同時控制器復位中斷信號；主機判斷是否工作探頭非法拔出，若是，則主 機關閉高壓發射，若否，則主機保存探頭狀態信息。
上述的控制方法，還包括對接入探頭的切換控制步驟通過探頭擴展 裝置的控制器控制探頭信號切換電路的選通，選通接入探頭的發射/接收端 與主機的連接。所述探頭信號切換電路采用繼電器作為探頭發射/接收信號 的切換開關
上述的控制方法，所述主機對探頭擴展裝置的探頭切換控制和探頭信 息讀取通過串行SPI通訊接口實現。
由于采用了以上的方案，首先，針對現有技術中探頭選擇和工作探頭控制的缺點，本發明的探頭擴展裝置與主機設備之間實現接口通訊連接， 由探頭擴展裝置內部的控制器解析主機系統的命令，自動實現探頭識別、
工作探頭切換等功能；方便、可靠地進行各種功能的控制，操作自動化程 度高。
其次，針對現有技術中造價和安全的缺點，本發明采用繼電器切換探 頭的發射膽收信號，供電僅需使用單一的5V電源，性能穩定，抗干擾能力 強，且成本較為低廉；并且由于繼電器自身器件的特性，使其對于高壓的 發射信號和低壓的接收信號都沒有什么衰減，同時也不會引入信號的干擾; 而且由于無須使用高壓電源，杜絕了高壓觸電的危險，使用更為安全可靠。 同時，操作自動化程度高，有利于保證系統使用的安全性。
另外，本發明中可以限定系統讀操作的條件，如只有在系統解除凍結 或者探頭在位狀態變化的時候執行讀探頭信息的操作，在系統工作過程中， 進行讀探頭信息的操作將會很少，而控制器只在探頭信息讀取的過程中控 制給探頭供電，可以允許探頭在非工作狀態隨時拔插而不至于損壞器件， 保證了系統的靈活性和穩定性。
本發明所采用的系統結構，保證了中斷響應的實時性，在工作中的探 頭被異常拔出時，可及時關閉系統的高壓發射信號，避免可能給操作人員
或者患者帶來電擊的危險，充分保證了系統使用中的安全性。
另外，本發明的裝置，其主體采用二個扣板的結構方式，其中之一安裝 電路，另一安裝二個探頭插座，使得結構更為緊湊，裝置的體積可以設計得 更小，便于使用；同時，對于探頭發射/接收信號的引接，通過連接插座的 分組與排列設計，使扣板A上的信號走向和信號回路得到優化，排列更規
則，可以有效的減小信號線間干擾，使本發明的裝置性能更為穩定可靠。
圖1是現有技術中一種探頭擴展裝置硬件原理框圖； 圖2是本發明所實現的探頭擴展裝置結構示意圖； 圖3是本發明硬件原理框圖4是實施例一中探頭擴展裝置主體的扣板連接示意圖； 圖5是實施例一中探頭擴展裝置主體扣板B的硬件布局及信號連接關 系示意圖6是實施例一中探頭擴展裝置主體扣板A的硬件布局及信號連接關系示意圖7是本發明特定的SPI通訊方式的時序圖； 圖8是實施例一中探頭信息讀取流程圖； 圖9是實施例一中探頭插拔的處理流程圖10是實施例二的具有二級切換模式的探頭擴展裝置切換示意圖。
具體實施方式
下面通過具體的實施例并結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。 實施例一
請參考圖2的結構示意圖。本例的探頭擴展裝置，應用于超聲診斷系 統，其硬件結構主要包括插頭10、電源及控制電纜11、發射/接收信號電
纜12、主體13等幾個部分，探頭擴展裝置的插頭10與一般的探頭插頭接 口定義一致，使用時連接到超聲診斷設備主機的探頭插座上。
電源與控制信號共用一根電纜，系統的發射/接收信號單獨使用一根電 纜，電纜均選用有屏蔽層的多芯電纜，保證裝置具備良好的抗干擾能力， 且降低自身互擾。
探頭擴展裝置的主體實現裝置的主要功能，相關的操作都由這部分控 制并實現。探頭擴展裝置的主體有三個探頭插座，其中兩個支持探頭的工 作， 一個僅用于懸掛探頭，既支持了多探頭的擴展，又充分利用了結構的 空間，可以更多地保護探頭。
請參考圖3的主體硬件原理框圖，本例的硬件設計主要包括以下幾個部
分探頭擴展裝置的控制和信號切換在探頭擴展裝置主體扣板A上實現，包
括作為控制器的CPLD、低壓差穩壓器LDO、繼電器控制模塊和繼電器組成的 探頭信號切換電路、A連接插座組、B連接插座組。扣板B實現板上連接插座 組和探頭插座之間的信號互連；包括第一探頭插座、第二探頭插座、第三 探頭插座、A連接插座組、B連接插座組。
主機系統與探頭擴展裝置通過串行通訊接口通訊。當超聲診斷設備的 探頭插座直接插探頭的時候，設備主機直接通過串行接口讀取探頭信息。 當超聲診斷系統的探頭插座接探頭擴展裝置的時候，設備主機通過串行接 口操作CPLD，由CPLD解析主機的命令，配合主機執行操作。主機根據探頭 擴展裝置在位信號的狀態區分，分別進行不同的操作流程。探頭A和探頭B 的在位信號、通訊信號、板卡的編碼都接到CPLD上，由CPLD根據系統的命令，選擇相應的信息返給主機。CPLD根據探頭在位信號的變化產生探頭狀 態中斷信號，使主機可以及時處理各種異常情況，相關處理將結合圖9進行 后續說明。
硬件系統采用兩級控制的方式，即CPLD控制繼電器控制模塊；繼電器 控制模塊控制繼電器。探頭信號切換電路在低壓差穩壓器LDO的控制下工 作，并且由于繼電器自身器件的特性，使其對于高壓的發射信號和低壓的 接收信號都沒有什么衰減，同時也不會引入信號的干擾。
探頭擴展裝置只需要5V供電，在主機查詢到探頭擴展裝置在位的情況 下，由主機通過探頭接口提供。控制電路的工作電源3.3V，由5V通過低 壓差穩壓器LD0產生。繼電器的工作電源直接由5V電源提供。探頭A和探 頭B所需的3. 3V電源，由CPLD根據系統命令產生相應的電源使能信號， 控制性地給第一探頭插座、第二探頭插座供電。
探頭擴展裝置主體采用扣板的連接方式，請參考圖4扣板連接示意圖。 扣板A和扣板B通過四對板到板插座6、 7、 8、 9連接，每一對插座包含公 座和母座兩個插座，可以將128個探頭陣元數均分為二個64腳插座來實現 連接，這樣扣板A和扣板B上的插座、元器件的分布可以有更靈活的設計， 不致受到128腳插座的體積的局限。即如圖3所示的第一探頭插座采用二 個分別位于扣板A、扣板B上的A連接插座組引接，第二探頭插座采用二 個分別位于扣板A、扣板B上的B連接插座組引接。第一探頭插座l、第二 探頭插座2為支持探頭工作的插座，第三探頭插座3只用于懸掛探頭。電 源及控制插座4對應連接電源及控制電纜，發射/接收信號插座5對應連接 發射/接收信號電纜。
請參考圖5所示，第一探頭插座1與插座6A和插座8A信號互連；第二 探頭插座2與插座7A和插座9A信號互連；這樣使扣板B的PCB上走線長 度略有增加，但可以使扣板A上的插座之間信號關系更順。扣板A上的插 座6B與插座7B之間的區域恰好可以放置它們對應信號的部分切換電路； 同樣，如圖6所示，扣板A上的插座8B與插座9B之間的區域恰好可以放 置它們對應信號的部分切換電路。板到板插座到探頭信號切換電路的信號 ATRS、 BTRS和探頭信號切換電路到發射/接收信號插座5的信號TRS，信號 走向恰好構成了特定的"T"型，這樣使信號線在PCB板上的排列更規則， 可以有效的減小信號線間干擾。這樣，當扣板A與扣板B相扣緊時，插座6A與插座6B相扣，插座7A與插座7B相扣，插座8A與插座8B相扣，插 座9A與插座9B相扣；相扣接的位置分布于扣板A與扣板B的外沿及中間， 受力較為均勻，使二者的扣接更為可靠；二板之間、插座之間的間隔可以 排布一些較小的元器件，主要電路排布于扣板A未安排插座的一面，探頭 信號切換電路的繼電器對稱分布，使重量分布盡量均勻，更為穩定可靠。
電源和控制信號由插座4進入扣板A， CPLD等IC器件放置于插座4附 近，板卡的數字區域限定在電源及控制插座4周圍，如圖6所示的陰影區 域。發射/接收信號易受干擾，這些信號恰可以放置于數字區域之外的模擬 區域，這些信號到地的回路被限定到盡量短，信號不易受到干擾。
本例的探頭擴展裝置與主機通過串行SPI接口通訊。其時序圖如圖7 所示。片選信號SPI—nCS為低之后，操作開始有效，主機產生固定頻率的 時鐘信號SPI_CLK。SPI_IN信號是SPI主設備CPLD的輸入信號，與SPI_CLK 信號同步，分為命令地址和命令內容兩個時序段。SPI—OUT信號是SPI主 設備CPLD的輸出信號，即探頭擴展裝置CPLD的輸出信號，根據SPI—IN 的命令，返回相應的信息。CPLD發送完數據之后，主機會關閉SPI一CLK信 號，并將SP^nCS信號復位到高電平，至此SPI的一個操作周期結束。
SPI_IN信號分為兩個時序段，增加了系統控制命令的容量，使CPLD 的命令響應主機，可以執行各類型操作命令，并且由于各類信息均接到 CPLD，主機可以方便的讀取CPLD的各個狀態寄存器，獲取相應信息。
探頭切換控制和探頭信息讀取都通過SPI接口實現，使得兩個探頭和 更多探頭的操作方法類似，只需要更改SPI一IN信號的命令內容就可實現控 制的兼容，這樣就使超聲診斷設備可以支持更多探頭的擴充。
探頭信息的讀取按照通訊接口的實現方式，很容易進行相關操作，其 操作流程大致如圖8所示
1) 首先查詢探頭在位狀態；
2) 對欲進行信息讀取的探頭進行上電控制，給相應探頭內部IC供電；
3) 選通相對應探頭的通訊接口，讀取探頭信息；
4) 主機判斷是否探頭信息讀取完成，若是，則進行執行下述步驟5， 若否，則等待；5)當主機系統軟件確認探頭信息讀取完成之后，給探頭擴展裝置的
CPLD發送探頭去電命令，CPLD控制電源使能信號，相應探頭去電， 結束操作。
CPLD只在探頭信息讀取的過程中給探頭內部IC供電，在上述的讀取 探頭信息流程中，當主機系統軟件確認探頭信息讀取完成之后，CPLD會給 相應探頭去電，此后再實現高壓發射或接收，避免對探頭的控制電路造成 沖擊。上述流程中限定了系統讀操作的條件，如只有在系統解除凍結或者 探頭在位狀態變化的時候執行讀探頭信息的操作，在系統工作過程中，進 行讀探頭信息的操作將會很少，可以允許探頭在非工作狀態隨時拔插而不 至于損壞器件，保證了系統的靈活性和穩定性。
本例的探頭擴展裝置，在探頭拔插的時候，主機會立即進行處理，其 工作流程如圖9所示
1) 探頭拔插；
2) CPLD根據探頭在位狀態的變化，產生中斷信號；
3) 主機讀取探頭狀態信息；同時CPLD復位中斷信號；
4) 主機判斷是否工作探頭非法拔出，若是，則主機關閉高壓發射，若 否，則主機保存探頭狀態信息。
進行完上述的流程之后，主機會對擴展裝置的CPLD發送命令，進行如 圖8所示的流程，讀取在位探頭的信息，進行探頭的識別。
工作中的探頭異常拔出時，及時關閉系統的發射，避免了高壓的發射 信號可能給操作人員或者患者帶來電擊的危險。本發明所采用的系統結構， 保證了中斷響應的實時性，充分保證了系統使用中的安全性。
實施例二
本例中，布局方式和控制方法等原理與上例相同；如圖IO所示，本例 增加第二級信號切換電路，可以實現4個探頭插座的擴充。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。本發明采用其他 的通訊接口如lt，也可以提供類似的功能。
權利要求
1. 一種電子設備探頭擴展裝置，包括主體、探頭擴展裝置插頭；所述主體上布設有控制器、探頭信號切換電路、第一探頭插座、第二探頭插座；所述第一探頭插座、第二探頭插座的發射/接收端分別與所述探頭信號切換電路連接；所述第一探頭插座、第二探頭插座的通訊接口分別與所述控制器連接；所述控制器分別輸出控制信號連接所述探頭信號切換電路控制端、第一探頭插座和第二探頭插座的電源使能端，控制所述探頭信號切換電路信號切換、第一探頭插座和第二探頭插座的上電；所述探頭信號切換電路的發射/接收端連接所述探頭擴展裝置插頭，所述控制器設有一通訊接口連接所述探頭擴展裝置插頭。
2. 如權利要求1所述的電子設備探頭擴展裝置，其特征是所述探頭信號 切換電路包括繼電器、繼電器控制模塊，所述控制器輸出控制信號連接 所述繼電器控制模塊控制端，所述繼電器與所述繼電器控制模塊連接。
3. 如權利要求2所述的電子設備探頭擴展裝置，其特征是還包括低壓差 穩壓器，用于給所述控制器、探頭信號切換電路、第一探頭插座、第二 探頭插座提供工作電壓;所述控制器輸出電源使能信號控制所述低壓差 穩壓器向所述第一探頭插座、第二探頭插座供電。
4. 如權利要求1或2所述的電子設備探頭擴展裝萱，其特征是所述控制 器設有一探頭狀態中斷信號端連接所述探頭擴展裝置插頭;用于當所述 控制器檢測到探頭在位狀態信號中斷時，向電子設備主機發出中斷信 號，由主機停止向探頭發射信號。
5. 如權利要求1或2所述的電子設備探頭擴展裝置，其特征是所述主體 包括扣板A和扣板B;所述控制器、探頭信號切換電路布設于扣板A， 所述第一探頭插座、第二探頭插座安裝于扣板B,所述扣板A與扣板B 通過連接插座組相扣接并實現電連接。
6. 如權利要求5所述的電子設備探頭擴展裝置，其特征是所述連接插 座組包括A連接插座組、B連接插座組；所述A連接插座組包括二對板 到板插座，用于實現第一探頭插座與探頭信號切換電路的電連接；所述 B連接插座組包括二對板到板插座，用于實現第二探頭插座與探頭信號 切換電路的電連接。
7. 如權利要求6所述的電子設備探頭擴展裝置，其特征是所述探頭信號切換電路部分設于所述A連接插座組的二個插座之間，部分設于所述B 連接插座組的二個插座之間；所述扣板A還設置有用于連接發射/接收 信號電纜的發射/接收信號插座;該發射/接收信號插座至所述探頭信號 切換電路、所述探頭信號切換電路至所述A連接插座組的二個插座的信 號走線構成T型或近似T型；該發射/接收信號插座至所述探頭信號切 換電路、所述探頭信號切換電路至所述B連接插座組的二個插座的信號 走線構成T型或近似T型。
8. —種電子設備主機對擴展探頭的控制方法，其特征在于包括對探頭信 息的讀取步驟1) 通過探頭擴展裝置的控制器查詢探頭在位狀態；2) 通過控制器對欲進行信息讀取的探頭發出電源使能信號，給相應探 頭供電；3) 選通相對應探頭的通訊接口，讀取探頭信息；4) 主機判斷是否探頭信息讀取完成，當主機確認探頭信息讀取完成之 后，給探頭擴展裝置的控制器發送探頭去電命令，控制器控制探頭 的電源使能信號，使相應探頭去電。
9. 如權利要求8所述的控制方法，其特征是還包括對探頭拔插的處理流 程探頭擴展裝置的控制器根據探頭在位狀態的變化，產生中斷信號； 主機讀取探頭狀態信息；同時控制器復位中斷信號；主機判斷是否工作 探頭非法拔出，若是，則主機關閉高壓發射，若否，則主機保存探頭狀 態信息。
10. 如權利要求8所述的控制方法，其特征是，還包括對接入探頭的切換控 制步驟通過探頭擴展裝置的控制器控制探頭信號切換電路的選通，選 通接入探頭的發射/接收端與主機的連接。
11. 如權利要求10所述的控制方法，其特征是，所述主機對探頭擴展裝置 的探頭切換控制和探頭信息讀取通過串行SPI通訊接口實現。
12. 如權利要求10所述的控制方法，其特征是，所述探頭信號切換電路采 用繼電器作為探頭發射/接收信號的切換開關。
全文摘要
本發明公開了一種電子設備探頭擴展裝置及主機對擴展探頭的控制方法，裝置包括主體、探頭擴展裝置插頭；所述主體上布設有控制器、探頭信號切換電路、第一探頭插座、第二探頭插座、探頭擴展裝置插頭；主機對擴展探頭信息讀取中，通過探頭擴展裝置的控制器查詢探頭在位狀態；通過控制器對欲進行信息讀取的探頭發出電源使能信號，給相應探頭供電；選通相對應探頭的通訊接口，讀取探頭信息；當主機確認探頭信息讀取完成之后，給控制器發送探頭去電命令，控制器控制探頭的電源使能信號，相應探頭去電，結束操作。本發明的探頭擴展裝置與主機設備之間實現接口通訊連接，由內部的控制器解析主機系統的命令，實現探頭識別、工作探頭切換等功能；方便、可靠地進行各種功能的控制，操作自動化程度高。
文檔編號A61B8/00GK101455575SQ20071012487
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月10日 優先權日2007年12月10日
發明者劉國濤, 宋煒華, 程東彪 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司