数字式X线机操作控制台电路检测设计

2011-01-26王艳莫国民王居儒周涛余建国

中国医疗器械杂志 2011年5期

关键词：线机键值指示灯

【作者】王艳，莫国民，王居儒，周涛，余建国

1 上海医疗器械高等专科学校，上海理工大学医疗器械与食品学院，上海，200093

2 上海医疗器械厂有限公司，上海，200090

3 复旦大学，上海，200433

在欧美等发达国家，高频高压的数字式X线机已成为医疗机构的主导机型，而我国在此领域起步较晚，因此实现自主生产将带来很大的经济效益和社会效益。

本文针对引进美国Quantum公司Odyssey HF系列的高频高压发生器，在其国产化进程中，由于元器件的国产化，出现较多问题，尤其是操作控制台面板（Operator Control Panel，以下简称OCP板）存在较多故障，严重影响了产品的生产进度。按照以往的方法，是在Flash程序烧录或是整机运行时，根据故障现象再判断问题的发生处，由于系统中存在诸多电路系统，很难根据一些故障现象进行准确定位，且过于依赖测试人员的经验水平。因此，对OCP板进行有效的在线检测，指明故障部位，成为该X线机国产化的首要问题。

1 OCP控制台硬件结构及功能

OCP控制台是X线机的人机接口，控制X线发生器的曝光设置和程序执行，以及液晶屏的设置显示，并通过两个串口与下位机控制逻辑板和上位机PC机进行通信，其结构框图如图1所示。

图1 OCP控制台结构框图Fig.1 The diagram of OCP Control Panel

在X线机正常运行状态下，Flash中存放内容除程序代码外，还包括球管曲线等常数表格；用户通过键盘输入曝光参数并控制曝光信号；曝光参数经过Flash中的曲线计算后，存入永久性随机存取存储器（Nonvolatile RAM，NVRAM）中；LCD屏通过LCD控制器显示操作界面、曝光参数信息等；就绪（READY），预备（PREP）和曝光（EXPOSE）三个LED指示灯用来显示曝光的状态；曝光启动前，将相关曝光参数通过RS-485串行通信发送给控制逻辑板LB（Logic Board），并由LB板控制高压的发生以及曝光信息的反馈；PC机通过RS-232连接OCP，可下载程序和数据至Flash，并上传NVRAM数据信息。

OCP面板的CPU选用Microchip公司PIC17系列的一款16位单片机。它有50个I/O口，内置16K×16Bit的PROM，10位A/D转换器，2个异步串行口和2个同步串行口等[1]。

OCP板外接的LCD屏选用320×240的16级灰度单色液晶，不含内嵌的液晶控制器，故选用EPSON的LCD控制器SED1374控制液晶显示。SED1374内部有28个8位的控制寄存器，还配置了20 K×16 bit的静态RAM作为内置的显示存储器，存放显示的像素点阵[2-3]。由于液晶为16级灰度，则显示屏上的每个像素都需要用4位二进制来表示，即内置RAM中的一个字节表示2个像素。

键盘和LED指示灯的硬件电路相对简单。键盘共有28个按键，其中按键控制准备和曝光的PREP和EXPOSE是由单独的输出线送入CPU的，其余26个按键通过5行×6列的行列扫描判断键值。LED指示灯共有三个，分别为READY、PREP和EXPOSE，采用共阳极接法，低电平控制点亮。对于EXPOSE的指示灯，不仅需要输出低电平控制信号，还需要同时有EXPOSE按键按下来控制继电器吸合，才能点亮。

NVRAM由于其芯片内部带有电池，即使外部电源关闭，其数据仍能保留，使用寿命高达10年以上[4]。系统中采用的NVRAM容量为32K×8bit，储存了X线发生器操作过程中所有的数据改变、配置数据、校准数据以及解剖学程序控制区域（Anatomical Programmed Regions，APR）的技术数据。

系统中片外扩展的Flash选用Am29F400BB，容量为256 K×16 bit，储存了程序代码、球管原始曲线以及所有液晶显示屏的数据。

在电路的连接上，键盘和LED指示灯是通过锁存器、缓冲器直接与CPU的I/O口相连，控制I/O口的读写，即可读取键值和控制指示灯的状态。

CPU对LCD控制器、NVRAM和Flash操作，实际上都是对其内部的存储单元进行读写访问，故连接均采用三总线结构，连接示意图如图2所示。CPU通过8位或16位的I/O口直接与三个器件相连构成双向数据线，这些I/O口线通过锁存器锁存输出构成地址线，对器件的控制信号直接由CPU的I/O线给出。

图2 NVRAM电路框图Fig.2 The diagram of NVRAM

对于Flash的扩展，采用了CPU本身的16根地址/数据分时复用I/O总线，这是由于在X线机的大系统中，Flash中还存有程序，为实现取指而进行的设计，访问时采用字模式。另外，该Flash的地址线有18根，其中高3位由CPU的I/O口直接送出，低15位才由锁存器锁存输出；2位控制线包括Flash的输出允许OE和写允许WE，均为低电平有效；Flash的片选信号直接接地，保持有效。

访问LCD控制器和NVRAM时，选用了同一个8位I/O口，通过控制片选来对两个器件分别进行操作。访问NVRAM时，先锁存送出地址，然后CPU控制片选信号和读信号或写信号有效，通过数据总线读入NVRAM送出的数据或输出数据至NVRAM。访问LCD控制器时，设置总线接口为通用总线＃2，8位的I/O口须分两次送出16位的地址或数据，先送低字节，再送高字节[2-3]。控制寄存器内容和显示数据送入LCD控制器后，经缓冲器送入LCD显示屏显示。

2 OCP检测方法

由于OCP板在整个X线机系统中相对独立，不涉及曝光控制等内部模块，可直接利用CPU对各个单元进行检测，同时将检测结果显示于LCD上。这样，只需在原有硬件系统上增加测试软件，省却另行制作测试系统的成本。

测试软件采用模块化设计，对各个部件逐一访问测试，同时显示测试结果及交互信息给测试人员。测试功能包括LCD显示检测、键盘检测、LED指示灯检测、NVRAM检测和Flash检测五大部分。具体程序流程如图3所示。

图3 OCP板检测总流程Fig.3 The fl ow chart of OCP testing

(1) LCD检测

LCD检测程序流程框图如图4所示。首先，设定SED1374的内部寄存器，控制工作方式；然后，进行清屏，即给液晶屏的每个像素写入背景色（0x00）到SED1374内部RAM相应单元中；接着，逐行点亮每行像素，即每个像素都写入非0的值，为了与背景色对比最明显，写入最大灰度值0x0F到每个像素，点亮一行320个像素后，延时一段时间，便于调试人员肉眼观察液晶屏是否存在坏点；最后，再次清屏，显示“LCD OK”在屏幕指定位置表示LCD测试完毕。

图4 LCD检测流程Fig.4 The fl ow chart of LCD testing

表1 和AB0的选择表[2]Tab.1 Truth table of nd AB0 [2]

LCD显示ASCII字符时，每个字符占用16×8个像素，须将字符点阵做成常数表格放入程序中，供调用。

(2) 键盘检测

键盘检测时，程序中不断循环检测键值，并显示在LCD上，直至按下AEC键后键盘检测结束。每次循环中，先读入键值，判断数据高两位，以确定是否有PREP或EXPOSE按下。若有键按下，则在LCD显示屏指定位置显示按键定义，然后通过行列扫描获取键值；若没有键按下，则继续循环判断，在有键按下时则在显示屏指定位置显示按键定义。若按下的键为AEC，则退出循环，同时显示按键检测结束，提示进行下一项LED测试。

(3) LED检测

LED检测时，当检测到按键LEFT1按下时，CPU送出数据，经控制锁存器锁存输出，从而点亮发光二极管，此时可以观察到PREP和READY指示灯点亮。若要点亮EXPOSE指示灯，还需将EXPOSE按键按下，同时可以听到继电器的吸合声。当检测到按键LEFT2按下时，所有指示灯均熄灭，同时提示进行下一项NVRAM的测试。

(4) NVRAM检测

NVRAM检测时，程序先判断按键LEFT3被按下时，开始对NVRAM进行检测。先是将部分数据写入，写入地址为0x0001～0x4000，共15个，规律为保证每根地址线上均出现一次1，其余地址线为0，写入数据为0x11～0xff；15个数据写完后，再读这些地址单元，将读出的数据与写入的数据进行比较，如果所有数据都相同，则认为NVRAM电路正常，否则存在问题。由LCD显示测试结果，并提示下一项Flash测试。

(5) Flash检测

Flash测试流程如图5所示。由于Flash必须擦除后才能写入数据，测试流程需先进行Flash片擦除，然后写入相应单元相应数据，再从这些单元中读取数据，与写入数据进行比较，从而判断Flash部分电路是否能正常工作。

图5 Flash测试流程Fig.5 The fl ow chart of Flash testing

当检测到用户按下按键LEFT4时，进行Flash的片擦除。可以进行片擦除，也可以进行段擦除，由于需要测试Flash的各段，此处采用片擦除。擦除和写Flash用的都是命令控制方式，如表2所示。其中RA表示要读数的存储器地址，RD表示从RA地址读出的数据；PA表示要写入数据的存储器地址，PD表示写入PA地址的数据；SA为要擦除的段地址，该Flash共分11个段，段地址由A17～A12决定[5]。进行片擦除时，只要按照表2往Flash相应地址依次写入相应内容，即可执行擦除操作。执行完毕后，需延迟一定时间，等待擦除完毕才能进行后面的读写操作，这个时间大约在数秒之内。

表2 Am29F400BB字操作命令定义[5]Tab.2 Word program command de fi nition [5] of Am29F400BB

片擦除完毕后，提示用户按下按键LEFT5，进行Flash写操作。写入地址共选取18个，位于0x04000～0x3ffff中，保证每一地址线上均出现过一次高电平，同时保证范围内的每个段都进行过写操作。由于地址0x00000～0x03fff已由片内程序存储器占用，不需要访问，系统中Flash不对该段地址进行读写，故不作读写测试。

写操作执行完毕后，再对这些地址进行读操作，且将读出的数据与写入数据进行比较，若所有数据均相等，则表示Flash部分电路正常，否则存在问题。LCD显示测试结果，并提示所有测试完毕。

结合图6的时序可以看出写Flash字的流程：先送出18位地址信号，给锁存器的ALE送入正向脉冲控制锁存输出地址，然后置读信号RD禁止，写信号WE有效，随后送出16位数据信号，延时一定时间再关闭写信号WE，最后查询DQ7位，判断写操作是否完成。图6中的标记的时间为信号需维持的最小时间，整个字写入需要的时间典型值为12μs，最大值为500μs，本系统中实际字写入花费的时间为20μs，比典型值略大，这是主要是由C代码编译效率较低引起的。

这里的DQ7位于数据线中，为数据查询位（data polling），表示编程操作（即写操作）正在进行还是已经完成。当编程操作正在进行中，读DQ7位将得到写入数据D7位的反码；当编程操作完成时，读DQ7位将得到写入数据D7位的原码。另外，也可以通过Flash的RY/位来判断编程操作是否完成，但硬件中为节省I/O口线，并未连接该信号。

图6 Flash写操作的时序图Fig.6 Write operation timing diagram of Flash

下面是对Flash地址为MSBAdr（高2位） +Adr（低16位）的单元写入16位数据Val的一段代码。其中，在送出16位数据后，延迟了一段时间，再去判断数据DQ7位是否翻转。

3 结果和讨论

若所有部件检测完毕且全部正常，LCD显示的检测结果如图7所示。当测试部件存在问题时，对应测试部分的“OK”就显示为“ERROR”；若是按键失灵，则该按键对应键值显示无按键定义。

本测试系统采用自动在线检测的方法，经调试成功，已用于OCP板的实际生产检测中，方便有效的协助了测试人员的工作，解决了该X线机国产化进程中的一大障碍。

在本系统的开发过程中，还曾遇到CPU仿真困难、Flash访问困难等问题，在合作单位的帮助下一一得以解决。但由于时间仓促，本检测系统中还存在较多的不足之处，如系统微处理器为PIC17系列，应用较少，可参考的资料较少，且开发成本和硬件成本都较高。但当初在引进该发生器系统时，为保证研发进度，保留了原有的硬件设计，包括处理器的选型。因为处理器改型，需要重新设计电原理图、重制硬件电路板，软件中大量对底层硬件的访问也都需要调整。在今后的开发设计中，可考虑选用国内使用较多的PIC18系列，它的资源比PIC17要丰富，程序代码可以全部放入片内程序存储器。