PC机对西门子设备测试调整的接口设计与制作
虞靖彬
山东中医药大学 设备处，山东 济南250355
[摘 要]为方便使用PC机对医疗设备进行测试与调整，本文利用现有计算机串行通讯技术，着重研究了PC机通用的RS232接口及西门子医疗设备的晶体管-晶体管逻辑接口功能，并对两者之间的电平转换和信号匹配进行了详实的描述和设计。设计出PC机与西门子设备连接的接口电路，用PT510仿真软件实现了对西门子设备的测试和调整。总之，本设计很好地解决了用PC机与医疗设备通讯的问题，临床维修工程师可以方便地将仿真软件装入到PC机中，随时对设备进行检测，使得检测和维修更加方便快捷。
[关键词]串行通讯；接口电路；电平转换；医疗设备
引言
西门子医疗设备种类众多，用途各异。每种设备组成部分比较复杂，且都有其相应的测试手段和方法。通过这些手段，当机器出现问题，我们就能方便快捷判断出故障，并进行测试和调整[1-6]。PT510作为其中的一种专用测试终端，可以测试一些设备的组成部分，如西门子数字减影的C型臂部分coroskop、Somatom DR CT机的高压Micomatic[7]。如果在PC机上装有仿真软件，通过设计出PC机与这些设备的接口电路，就能为维修工程师提供简便快捷的检测调整手段[8-10]。本文利用计算机串行通讯技术，在现成PT510仿真软件前提下，设计出PC机与C型臂coroskop的接口电路，完成数据的准确传送。
1 设计思路及方法
本文主要解决的问题是用PC机软件实现对西门子DRG/ DRH/CT等设备高压部分测试与调整。但由于PC机与医疗设备端接口不同，PC机是9针接口，而设备端是15针接口，PC机接口板通常用RS232进行通讯，而医疗设备接口电路多为单片机，采用晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic，TTL）方式进行通讯，两者无法实现简单的相连，要实现以上功能，首先要设计接口转换电路，保证PC机与医疗设备信号的正确传输控制，达到测试与调整目的。
根据以上思路，我们可以知道由于TTL电平和RS-232C电平互不兼容，所以两者对接时，须进行电平转换。PC机与设备单板机之间的串行异步通讯采用RS232接口电路实现，利用计算机的串行接口进行数据传输。因为RS232逻辑电子对地是对称的， 其逻辑“1”电平为（-5～-15）V之间，逻辑电平“0”为（+5～+15）V之间，其与单片机的逻辑电平不一致，须进行电子转换。
由此分析，我们可以先设计出接口电路的原理线路：PC机-PC机接口电路-电平转换电路-医疗设备接口电路-医疗设备。
本接口电路的工作原理是把PC机的RS232电平转换成TTL电平，再进行电平匹配，加上设备特性需要的接口，在设备内部经过驱动转换成TTL电平，通过异步通信接口适配器，实现与医疗设备的通讯。具体电路可以包含以下几个部分：
（1）PC接口电路：PC机接口为9针串口，为标准的RS232接口，为实现与外部电路的接口，可以通过专门的RS232接口电路实现。
（2）电平转换匹配电路：把计算机的电平转换成医疗设备需要的电平。
（3）设备接口电路：PT510与医疗设备均为15针的接口，两者也需要一致的接口特性电路。
在计算机串行通讯技术中，通常采用MAX232芯片可分别实现TTL～RS232和RS232～TTL之间的电平转换。
2 电路设计与分析
要更好地完成电路设计，需对每一组成部分电路进行详细分析，从而找到实现电平转换功能及信号匹配的办法。
2.1 P C接口电路
通常此电路都选择专用的RS232接口电平转换集成电路进行设计，如MAX232、HIN232等[11-13]。在这里，我们采用常用的MAX232（图1）来解决。MAX232是一种双组EIA-232驱动器接收器，片内含电容性电压发生器，可在单5 V电源供电时提供EIATIA-232-E电平。每个接收器将EIATIA-232-E电平输入转换为5 V的TTLCMOS电平[14]。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
由于芯片内部有自升压的电平倍增电路，将5 V转换成（-10～+10）V，满足RS-232C的逻辑“1”和逻辑“0”的电平要求。
工作时仅需单一的+5 V电源。其片内有两个发送器，两个接收器，有TTL信号输入/RS-232C输出的功能，也有RS-232C输入/TTL输出的功能。该芯片与TTL/CMOS电平兼容，使用比较方便。
图1 MAX232内部原理图
使用MAX232实现TTL/RS-232C之间的电平转换示意电路，见图2。
图2 MAX232的电平转换示意图
2.2 设备内部电路分析
西门子设备接口电路板里面大部分采用MC68B50异步通信接口适配器和缓冲驱动放大器ua9636a、ua9637a实现通信控制和输入输出驱动。下面是其内部电路简要分析。
2.2.1 设备内部电路信号传输
（1）设备内部信号发射电路。MC68B50（TTL电平）信号TXD（逻辑电平为“1”）通过pin6-＞经驱动i40（ua9636a）的pin2脚-＞i40的pin7-＞电阻R23-＞三极管v4 （bc327）的b极-＞电阻R22-＞接口K39的pin7-＞接口电路PT510的RXD+，其中接口K39的pin2与PT510的RXD-同时接GND。
（2）设备内部信号接收电路。接口电路PT510的TXD+信号经接口K39的pin13-＞设备内部驱动i38（ia9637a） 的pin5-＞i38（ia9637a） 的pin3-＞MC68B50接收信号RXD的pin2,其中电源正端V+接PT510的pin6和pin11，电源负端接V-接PT510的pin9（TXD-）。
2.2.2 PT510维修终端DB15的各接口定义
为了知道如何将设计的转换电路接口更好地与PT510的DB15接口之间相连，我们需知道PT510维修终端DB15的各接口定义如下：
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 设备接口电路设计
根据电路的分析及对PT510终端和设备各个管脚的功能了解，可按以下思路进行接口电路DB15各接口连接，DB15的pin1、5、8、15接地（GND）,转换接口电路部分GND接DB15的pin8；Vcc接接口电路pin3；pin6-pin11；转换接口电路的TXD分别接DB15的pin7 (+)、pin2 (-)；转换接口电路的TXD分别接DB15的RXD：pin13 (+)、pin9 (-)。
2.2.4 信号发射电路外围电路
为了减少输入与输出之间信号的干扰，信号发射电路部分可以用光耦实现驱动输出[15]。信号发射电路外围电路图pin7 (+)、pin2 (-)，见图3。
图3 信号发射电路外围电路图
2.2.5 信号接收电路外围电路
为保证信号传输的准确和及时性，信号接收电路部分可以用高频开关管连接实现[16]。信号接收电路外围电路图pin13 (+)、pin9 (-)，见图4。
图4 信号接收电路外围电路图
2.3 电平匹配电路设计
根据以上分析，为更好实现电平匹配，电路可按以下思路设计：设备信号发射电路部分无需增加相应电路就实现了电平匹配；设备信号接收电路部分需增加几个高速开关管，才能实现电平匹配。
2.4 接口电路原理分析
综合以上分析，具体接口设计电路，见图5。为进一步验证电路设计是否合理，对电路及电位的分析情况如下。
2.4.1 电路分析
（1）PC发送信号。MAX232实现了RS232电平转换为TTL电平（pin11/MAX232），因为设备接口三极管T3需要其c、e极悬空（有上拉、下拉电源），所以必须加上e极接地的三极管T1，但这样将导致电平相反，加上T2就可实现电平匹配。电阻的选择为达到低功耗需要，同时不影响这3个高速开关管的开关特性。二极管D1为减少干扰。pin6/PT510（DB15）与pin11/DB15相连，是为了信号发送上拉、下拉电源形成回路。
（2）PC接收信号。设备驱动输出通过光耦器件4N35输出，一是通过光耦隔离输出，减少输入与输出之间干扰，二者实现了电平匹配，简单实用。
2.4.2 整个信号传输的电位分析
（1）PC发送信号。PC电平“1”经DB9接口pin3-＞的pin13-＞经非门转换电平转换集成电路（MAX232）的pin12成“0”电平-＞T1截止-＞T2的C极为高电平“1”-＞T3导通，C极为低电平-＞DB10的10脚（即PT510的的TXD信号）为低电平“0”-＞设备内部电路i38（ia9637a）的pin5-＞i38的pin3转为高电平“1”-＞MC68B50（TTL电平）pin2（RXD）为“1”。
（2） PC接收信号。MC68B50（TTL电平）的pin6（TXD）为“1”-＞i40（ia9636a）的pin2-＞i40的pin7输出为“0”-＞v4（bc327）的c端输出为“1”-＞K39（RXD+/PT510）的pin7输出为“1”-＞光耦IC2导通-＞电平转换集成电路（MAX232）pin11输入为“1”-＞MAX232的pin14输出为“1”（-3V）-＞DB9的pin2为“1”（-3V）-＞PC机。
图5 接口电路图
由此可以看出，由PC端发送到设备接收端的电平匹配没问题。通过该接口电路，PC机和医疗设备之间可以正常通讯。
2.5 电路制作及应用
根据实际电路图，结合通用集成电路速查手册，确定所用集成块的型号及各管脚功能，根据本设计需要，确定以下材料：9母针插头一个；15针公插头一个；5 m网线；一块7 cm×5.5 cm印刷电路板；集成块MAX232、4N35及相应的集成块座各一个；5个10 uF电容；电阻：1、3.3、4.7、5.6、10 K各一个，150 Ω两个；高速开关三极管：BC546两个、BC557一个。
确定好公共电源和地的分布，在电路板上插上各个元件，对着电路图分别进行核对，以减少连线、就近为原则，反复调整，最后焊接、修整、连外界线和插头。
本接口电路做好后，连在西门子数字减影C型臂部分Coroskop上，接上PC机，运行PT510终端仿真软件，设置通讯特性参数，然后触发联机，显示出设备单板控制机的软件版本信息，进行软件测试和机器调整，一切运行正常，说明该电路能正常实现设计要求。该电路与西门子Micromatic CT高压部分、Digicam相机连接都能实现联机检测。
3 结论和讨论
此次设计是针对医疗放射设备与PC机进行信号通讯所进行的硬件设计。电路的设计涉及医用放射设备工作的基本原理、计算机通讯、数字电路及电子电路基础等基本知识。电路中运用了计算机通讯技术中常采用的单片机与PC机互相通信所用电平转换电路，通过设计，很好地解决了用PC机与医疗设备通讯的问题，临床维修工程师可以方便地将仿真软件装入到PC机中，随时对设备进行检测，使得检测和维修更加方便快捷。
需要注意的是，由于设备内部电路不同，转换电路所用的外围电路会有所不同，实际运用中，针对不同品牌医疗设备，应对设备的工作原理进行详细分析，找清各路信号的来龙去脉，然后采用具体的电路进行匹配，如果生搬硬套某一个电路，很可能会导致控制信号之间的不匹配，从而不能达到预期效果，更有甚者会损坏设备的内部电路。
接口线路板的制作，涉及的电子元件比较多，在选择电子元件的时候，应计算好元件的功率、电流等参数，可利用《通用集成电路速查手册》等工具书来选择。同时，由于外围的电子元件种类多，所以制作时候要设计好元件的位置和布线，避免接线错误，同时调试的时候除用万用表测试，同时还需用示波器等检测设备进行测试后再与设备相连，避免对医疗设备电路造成损害。
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本文编辑 袁隽玲
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
A b s t r a c t：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.
K e y w o r d s：serial communications; interface circuit; level transformation; medical device
[中图分类号]TP311.5
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.009
[文章编号]1674-1633(2017)07-0031-04
收稿日期：2016-11-30
修回日期：2017-01-02
作者邮箱：15866700768@163.com