專利名稱：便攜式x射線機管電流非介入測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種便攜式X射線機管電流非介入測量儀。
背景技術(shù)：
對X射線機管電流進(jìn)行測量，常用于醫(yī)院作影像質(zhì)量控制、技術(shù)監(jiān)瞀部門作運行的質(zhì)量控制，對X射線機生產(chǎn)、安裝調(diào)試、故障檢查維修也具有一定的現(xiàn)實意義。當(dāng)前采用鉗形電流傳感器作為I次儀表在X射線機管電流非介入測量儀中已普遍使用，電流通過導(dǎo)線時在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，鉗形電流傳感器通過霍爾元件將磁場強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，所以鉗形電流傳感器對地磁場敏感，因而在將鉗形電流傳感器卡入X射線管的陽極(或陰極)回路后須按鉗形電流傳感器上的“ZERO”按鍵即零電位按鍵，以抵消地磁場對鉗形電流傳感器的影響，使前置放大器工作在零電位附近；鉗形電流傳感器的鉗ロ閉合不完全以及電池電壓不足時，鉗形電流傳感器輸出信號不正常，但主機并不知道這些狀態(tài)，因而有可能得到的測量結(jié)果并不可靠；由于不同的鉗形電流傳感器的電流電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)有差異，因而主機無法與不同的鉗形電流傳感器互換。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案為A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果直接傳輸給MPU作數(shù)據(jù)處理，其優(yōu)點是方案簡單成本低廉，但對窄脈寬電流信號測量誤差較大。
由于鉗形電流傳感器與主機之間均采用較短的連線連接，主機放置在X射線機附近，X 射線機工作時會產(chǎn)生X射線，從而X射線機一般均安裝在屏蔽室內(nèi)，在測量X射線機管電流時，工作人員須撤離到安全的地方(例如控制室)，因而對主機操作和讀取數(shù)據(jù)極不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)在技術(shù)的不足，提供ー種讀取數(shù)據(jù)方便、工作可靠的便攜式X射線機管電流非介入測量儀。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，包括檢測裝置和主機，所述的檢測裝置通過多芯電纜與主機連接。檢測裝置包括鉗形電流傳感器和控制組件，控制組件包括零電位輸出控制模塊、 量程檔位控制模塊和CPU模塊，所述的零電位輸出控制模塊的兩個模擬信號輸出端與鉗形電流傳感器的零電位按鍵的兩觸點連接，量程檔位控制模塊中的模擬開關(guān)與鉗形電流傳感器的量程各觸點連接，所述的零電位輸出控制模塊、量程檔位控制模塊的控制端連接在CPU 豐旲塊上；
所述的主機內(nèi)設(shè)置有主放大器、FPGA數(shù)據(jù)處理器、MPU模塊、鍵盤模塊、顯示器、無線傳輸模塊、檢測裝置連接檢測模塊和電源管理模塊，主放大器的兩個輸入端通過多芯電纜分別與檢測裝置中的前置放大器上的V+、V-信號輸出端相連接，主放大器的輸出依次通過濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器連接到FPGA數(shù)據(jù)處理器，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理器、鍵盤模塊、顯示器和無線傳輸模塊都與MPU模塊相連接，MPU模塊的Rx、Tx端通過多芯電纜連接檢測裝置中CPU模塊的 MPU模塊的Tx、Rx端，其還通過無線傳輸模塊連接遠(yuǎn)端的上位機，所述的電源管理模塊連接主機內(nèi)所有模塊，電源管理模塊還通過多芯電纜連接檢測裝置內(nèi)的所有模塊。本發(fā)明的鉗形電流傳感器取消了電池供電單元及開關(guān)、量程檔位控制旋鈕，鉗形電流傳感是由主機內(nèi)的電源進(jìn)行供電，而且其內(nèi)部新增了一個印刷電路板，上述的控制組件即設(shè)置在該印刷電路板上，通過控制組件的零電位輸出控制模塊可以將鉗形電流傳感器的前置放大器被調(diào)整為輸出零電位，而通過控制組件的量程檔位控制模塊能夠完成鉗形電流傳感器的量程檔位的控制功能。本發(fā)明的控制組件上還設(shè)有鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊、溫度傳感器模塊、序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊，鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊、溫度傳感器模塊、序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊都連接CPU模塊。所述鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊能夠檢測鉗形電流傳感器的鉗口是否閉合的狀態(tài)信息，該狀態(tài)信息可被與之連接的CPU模塊讀取并傳輸給主機以及與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機，供主機以及遠(yuǎn)程上位機作鉗口閉合狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)采集控制使用。所述環(huán)境溫度傳感器模塊用于測量鉗形電流傳感器所在位置的環(huán)境溫度，該溫度可被與之連接的CPU模塊讀取并傳輸給主機，供數(shù)據(jù)處理作溫度修正使用；
所述序列號存儲模塊，當(dāng)主機以及遠(yuǎn)程上位機向CPU發(fā)出讀序列號指令后，CPU向主機傳輸鉗形電流傳感器的序列號，以便在測量報告中自動填寫本次測量時使用的鉗形電流傳感器序列號；
所述校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊，用于存儲鉗形該電流傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)，當(dāng)主機向CPU發(fā)出讀校準(zhǔn)系數(shù)指令后，CPU向主機傳輸該鉗形電流傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)，以便主機自動將測量數(shù)據(jù)乘以校準(zhǔn)系數(shù)后作為測量結(jié)果；鉗形電流傳感器在規(guī)定的校準(zhǔn)條件下，鉗形電流傳感器的輸出乘以校準(zhǔn)系數(shù)后滿足該校準(zhǔn)條件下的誤差要求；該校準(zhǔn)系數(shù)可被CPU收到的特定指令進(jìn)行改寫，以便授權(quán)的計量部門對鉗形電流傳感器進(jìn)行調(diào)校時使用；經(jīng)校準(zhǔn)后的不同鉗形電流傳感器與同一臺主機使用可互換使用，鉗形電流傳感器的輸出乘以校準(zhǔn)系數(shù)后滿足相關(guān)規(guī)定對誤差的要求；
所述CPU模塊，用多芯電纜中的Tx、Rx連線接收主機的指令并執(zhí)行相應(yīng)的指令(如改變量程、零電位輸出、讀取信息和狀態(tài)等)或?qū)⒅鳈C所需的電流傳感器的信息(如電流傳感器的序列號、校準(zhǔn)系數(shù)、固件版本號等)和狀態(tài)信息(如鉗口閉合狀態(tài)、環(huán)境溫度、故障代碼等) 傳輸給主機。本發(fā)明的主機內(nèi)，主放大器具有差分輸入功能，與前置放大器的兩個信號輸出端 V+、V-相連接，具有高精度、高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪聲、低輸入偏置電流、 低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移以及增益可編程之特點，使得不同量程檔位下主放大器輸出滿足 A/D轉(zhuǎn)換器的要求；所述FPGA數(shù)據(jù)處理器主要通過提取計算特征量完成數(shù)據(jù)壓縮任務(wù)；所述MPU模塊具有對整機進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)處理、對FPGA數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行現(xiàn)場配置等功能；所述電源管理模塊可滿足整機對各種電源的需求(如5V、3. 3V、2. 5V、模擬電路所需的±5V 等)，并且在MPU模塊的控制下可實現(xiàn)對主機和檢測裝置內(nèi)各模塊的供電根據(jù)需要進(jìn)行關(guān)斷，以延長電池使用時間。本發(fā)明的主機內(nèi)的FPGA數(shù)據(jù)處理器上還連接有SRAM存儲器和SD存儲卡，所需工作時序和讀寫操作控制由FPGA數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生。SRAM存儲器供FPGA數(shù)據(jù)處理器處理數(shù)據(jù)時使用，而FPGA數(shù)據(jù)處理器將數(shù)據(jù)存儲到SD存儲卡中，由計算機讀出SD存儲卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。本發(fā)明的主機內(nèi)的MPU模塊上還連接有FPGA配置文件模塊和顯示器背光亮度調(diào)整模塊。所述FPGA配置文件模塊，由大容量FLASH構(gòu)成，由MPU模塊對其進(jìn)行讀寫操作，用于存儲FPGA數(shù)據(jù)處理器的多個配置文件；而顯示器背光亮度調(diào)整模塊可在MPU的控制下根據(jù)需要實現(xiàn)顯示器不同亮度等級及關(guān)閉等功能以降低功耗，延長了電池使用時間。本發(fā)明的主機內(nèi)的主放大器上的還連接有檢測裝置連接檢測模塊，檢測裝置連接檢測模塊的輸出端連接到MPU模塊。檢測裝置連接檢測模塊可檢測到鉗形電流傳感器是否連接，從而由MPU判斷出檢測裝置是否連接，以及在已連接情況下出現(xiàn)的通訊故障。本發(fā)明的本發(fā)明的鉗形電流傳感器的前置放大器上的V+、V-兩個信號輸出端分別使用線路與主機中的主放大器的兩個輸入連接，采用這樣的雙線連接結(jié)構(gòu)可以避免鉗形電流傳感器供電電流在地線上形成的壓差信號對輸出信號的影響。而且檢測裝置與主機中之間的連接線在多芯電纜中采用單獨的屏蔽層，進(jìn)一步避免了 Tx和Rx線路對前置放大器輸出信號的影響。本發(fā)明的顯示器采用IXD顯示屏。本發(fā)明的有益效果是
I.鉗形電流傳感器的前置放大器的與主機中主放大器采用V+、V-雙線連接結(jié)構(gòu)，以避免檢測裝置供電電流在地線上形成的壓差信號對輸出信號的影響。2.零電位輸出控制模塊可在MPU模塊遠(yuǎn)程通過CPU模塊控制下使鉗形電流傳感器的前置放大器輸出零電位，便于MPU模塊根據(jù)需要在鉗口閉合后或啟動測量前消除地磁場對鉗形電流傳感器的影響以及前置放大器的零點漂移，使鉗形電流傳感器的前置放大器工作在最佳工作點。3.量程檔位控制模塊可使與之相連接的主機以及與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機實現(xiàn)對量程檔位的控制功能。4.鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊可使與之相連接的主機作數(shù)據(jù)采集控制，以及主機和與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機作鉗口閉合狀態(tài)顯示。5.用環(huán)境溫度傳感器模塊測量鉗形電流傳感器所在位置的環(huán)境溫度，供主機以及遠(yuǎn)程上位機數(shù)據(jù)處理作溫度修正使用。6.序列號存儲模塊，使主機以及遠(yuǎn)程上位機在測量報告中自動填寫本次測量時使用的鉗形電流傳感器序列號成為可能。7.校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊，使主機以及遠(yuǎn)程上位機可自動將測量數(shù)據(jù)乘以校準(zhǔn)系數(shù)后作為測量結(jié)果，使鉗形電流傳感器具有互換性。8. FPGA數(shù)據(jù)處理模塊解決了高分辨率快速采樣提高了窄脈寬電流信號測量精度但寬脈電流信號產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)MPU無法處理的矛盾。9. FPGA配置文件模塊存儲了 FPGA的多個配置文件，每個配置文件中僅包括能完成該工作模式所需的功能，從而減小了 FPGA數(shù)據(jù)處理模塊對邏輯門數(shù)的需求。10.無線傳輸模塊解決了在屏蔽的X射線機機房內(nèi)的主機與上位機之間的雙向通訊，因而工作人員在安全的地方，可通過上位機對主機操作和讀取數(shù)據(jù)。11.檢測裝置連接檢測模塊使主機能分辨是檢測裝置未連接還是檢測裝置器在已連接情況下的通訊故障，使主機的故障報警提示更明確。
12.電源管理模塊可根據(jù)需要進(jìn)行關(guān)閉部分功能模塊的供電，從而降低整機的功耗，以延長電池的使用時間。13.檢測裝置由主機提供供電，解決了因電池電壓不足引起的測量結(jié)果不可靠的問題。14.檢測裝置與主機之間采用多芯電纜連接，并實現(xiàn)雙向通訊，解決了主機以及與主機無線連接的上位機對檢測裝置量程檔位和調(diào)零的控制、對檢測裝置工作狀態(tài)的獲取，解決測量人員對檢測裝置及主機操作極不方便的缺點。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為鉗形電流傳感器中新增印刷電路板的原理圖3為主放大器的原理圖4為濾波器原理圖5為濾波器的頻率響應(yīng)與群延時圖6為濾波器的躍階響應(yīng)圖7為FPGA數(shù)據(jù)處理模塊在透視模式下軟件功能框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不僅限于以下實施例
如圖I所示，便攜式X射線機管電流非介入測量儀，包括檢測裝置和主機，所述的檢測裝置通過多芯電纜與主機連接。檢測裝置包括鉗形電流傳感器和控制組件，所述的控制組件包括零電位輸出控制模塊、量程檔位控制模塊和CPU模塊，所述的零電位輸出控制模塊的兩個模擬信號輸出端與鉗形電流傳感器的零電位按鍵的兩觸點連接，量程檔位控制模塊中的模擬開關(guān)與鉗形電流傳感器的量程各觸點連接，所述的零電位輸出控制模塊、量程檔位控制模塊的控制端連接在CPU模塊上；
所述的主機內(nèi)設(shè)置有主放大器、FPGA數(shù)據(jù)處理器、MPU模塊、鍵盤模塊、顯示器、無線傳輸模塊、檢測裝置連接檢測模塊和電源管理模塊，主放大器的兩個輸入端通過多芯電纜分別與檢測裝置中的前置放大器上的V+、V-信號輸出端相連接，主放大器的輸出依次通過濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器連接到FPGA數(shù)據(jù)處理器，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理器、鍵盤模塊、顯示器和無線傳輸模塊都與MPU模塊相連接，MPU模塊的Rx、Tx端通過多芯電纜連接檢測裝置中CPU模塊的 MPU模塊的Tx、Rx端，其還通過無線傳輸模塊連接遠(yuǎn)端的上位機，所述的電源管理模塊連接主機內(nèi)所有模塊，電源管理模塊還通過多芯電纜連接檢測裝置內(nèi)的所有模塊。本發(fā)明的鉗形電流傳感器采用的型號為PR0VA-15，該鉗形電流傳感器設(shè)有一個 “ZERO”按鍵即零電位按鍵，“ZERO”按鍵被按后，前置放大器被調(diào)整為輸出零電位，一般采用電池供電，具有O. 4A和4A兩個量程，通過旋轉(zhuǎn)波段開關(guān)完成電源開關(guān)和量程選擇功能；
O.4A量程靈敏度高但帶寬較窄，適用于測量X射線機的透視電流(X射線機的透視電流較小——數(shù)毫安，但透視時間較長——數(shù)十秒);4A量程雖然靈敏較低但帶寬較寬，適用于測量X射線機的拍片模式的曝光電流(X射線機的拍片電流較大一數(shù)百毫安，但曝光時間較短一數(shù)百毫秒)。本發(fā)明取消了鉗形電流傳感器的電池供電，改由主機通過多芯電纜中的 Vcc, GND兩條線給鉗形電流傳感器提供所需的電源。本實施例的鉗形電流傳感器的原電池盒內(nèi)增設(shè)了一個印刷電路板，控制組件即設(shè)置在該印刷電路板上。如圖2所示，零電位輸出控制模塊由模擬開關(guān)U103 (型號為4051) 承擔(dān)，模擬開關(guān)U103的兩個模擬信號輸入端(3腳和13腳)與原鉗形電流傳感器的“ZERO” 按鍵(SW-PB)的兩觸點連接，模擬開關(guān)U103的控制端(11腳)與CPU模塊連接，當(dāng)模擬開關(guān)U103的控制端(11)腳收到輸出零電位控制信號時，模擬開關(guān)接通，模擬“ZERO”按鍵 (SW-PB)被按下，鉗形電流傳感器的前置放大器被調(diào)整為輸出零電位；由于使用了零電位輸出控制模塊，因而主機和與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機可根據(jù)需要在鉗口閉合后以及啟動測量前，使鉗形電流傳感器的前置放大器調(diào)整為輸出零電位，消除地磁場對鉗形電流傳感器的影響以及前置放大器的零點漂移，使鉗形電流傳感器的前置放大器工作在最佳工作點。經(jīng)調(diào)零操作后，鉗形電流傳感器輸出的零電位值在正常范圍內(nèi)時用常態(tài)顏色顯示，鉗形電流傳感器輸出的零電位值超出正常范圍時用非常態(tài)顏色作異常的顯示指示，該非常態(tài)顏色可由用戶通過自定義為除常態(tài)顏色以外的其他顏色而改變。量程檔位控制模塊由U104 (型號為4051)承擔(dān),模擬開關(guān)U104的模擬信號輸入端 (3腳、14腳和13腳)與原鉗形電流傳感器的量程開關(guān)(SW102)各觸點連接，模擬開關(guān)U103 的控制端(10腳和11腳)與CPU模塊連接，模擬開關(guān)在CPU控制下控制執(zhí)行接通或斷開，完成鉗形電流傳感器的量程檔位的控制功能?？刂平M件上還設(shè)有鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊、溫度傳感器模塊、序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊，鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊、溫度傳感器模塊、序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊都連接CPU模塊。所述鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊能夠檢測鉗形電流傳感器的鉗口是否閉合的狀態(tài)信息，該狀態(tài)信息可被與之連接的CPU模塊讀取并傳輸給主機以及與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機，供主機以及遠(yuǎn)程上位機作鉗口閉合狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)采集控制使用，鉗口閉合狀態(tài)檢測模塊由位置檢測開關(guān)SWlOl和電阻RlOl組成，當(dāng)鉗口完全閉合時開關(guān)SWlOl接通到地， (PU模塊檢測到低電平，否則CPU模塊檢測到高電平，為了減小整機功耗，RlOl的電阻值選用1ΜΩ，以減小SWlOl接通到地的電流；當(dāng)鉗口非完全閉合時，鉗形電流傳感器的前置放大器的輸出信號不是所需要的數(shù)據(jù)，(PU模塊將檢測到的狀態(tài)傳輸主機，主機停止數(shù)據(jù)采集以及停止部分模塊的供電，并在主機的顯示器和遠(yuǎn)程上位機上用紅色顯示鉗口非閉合狀態(tài)提示直到排除該故障為止，如果鉗口長時間處于非完全閉合時，主機的部分功能模塊的供電將被關(guān)閉，延長了電池使用時間。所述環(huán)境溫度傳感器模塊由半導(dǎo)體數(shù)字溫度傳感器WDlOl (型號為DS18B20)和電阻R103組成，溫度傳感器安裝于電池盒外表面，在CPU控制時序下完成環(huán)境溫度測量，當(dāng)測量得到的溫度數(shù)值在規(guī)定的范圍以內(nèi)(15°C 25°C)則由主機讀取，供數(shù)據(jù)處理時作溫度修正使用，主機上顯示器及遠(yuǎn)程上位機用常態(tài)顏色顯示，在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍外則定時發(fā)送給主機，主機及遠(yuǎn)程上位機用非常態(tài)顏色顯示提醒用戶環(huán)境溫度異常，該非常態(tài)顏色可由用戶通過自定義為除常態(tài)顏色以外的其他顏色而改變。所述序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊由U102 (型號為X5045)承擔(dān)，該集成電路將上電復(fù)位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控和塊鎖(Block Lock)保護(hù)4Kb串行EEPROM存儲器組成在一個封裝之內(nèi)的。這種組合降低了系統(tǒng)成本、減少了電路板空間和增加了可靠性。顯示器用常態(tài)顏色顯示鉗形電流傳感器的序列號或校準(zhǔn)系數(shù)，用非常態(tài)顏色顯示異常的序列號或校準(zhǔn)系數(shù)，表明可能存在通訊故障或該鉗形電流傳感器未校準(zhǔn)，該非常態(tài)顏色可由用戶通過自定義為除常態(tài)顏色以外的其他顏色而改變。序列號和校準(zhǔn)系數(shù)由主機讀取 (主機向CPU模塊發(fā)出讀指令后，CPU模塊向主機傳輸該指令要求的數(shù)據(jù))，以便在測量報告中自動填寫本次測量時使用的鉗形電流傳感器序列號和校準(zhǔn)系數(shù)，主機自動將測量數(shù)據(jù)乘以校準(zhǔn)系數(shù)后作為測量結(jié)果；鉗形電流傳感器在規(guī)定的校準(zhǔn)條件下，鉗形電流傳感器的輸出乘以校準(zhǔn)系數(shù)后滿足該校準(zhǔn)條件下的誤差要求；該校準(zhǔn)系數(shù)可被CPU模塊收到的特定指令進(jìn)行改寫，以便授權(quán)的計量部門對鉗形電流傳感器進(jìn)行調(diào)校時使用；經(jīng)校準(zhǔn)后的不同鉗形電流傳感器與同一臺主機使用可互換使用，鉗形電流傳感器的輸出乘以校準(zhǔn)系數(shù)后具有相同的誤差特性。所述CPU模塊的石英振蕩晶體采用11. 0592MHz,以便與主機通訊，用多芯電纜中的Tx、Rx連線接收主機的指令并執(zhí)行相應(yīng)的指令(如改變量程、零電位輸出、讀取信息和狀態(tài)等)或?qū)⒅鳈C所需的電流傳感器的信息(如電流傳感器的序列號、校準(zhǔn)系數(shù)、固件版本號等)和狀態(tài)信息(如鉗口閉合狀態(tài)、環(huán)境溫度、故障代碼等)傳輸給主機。圖3為位于主機內(nèi)的主放大器的原理圖，主放大器主要由低成本、高精度儀表放大器AD620 (U301)構(gòu)成，該儀表放大器具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓 (最大50 μν)和低失調(diào)漂移(最大0.6 μν/ )、高增益、高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低輸入偏置電流、低功耗以及增益可編程之特點，該集成運算放大器的輸入端與前置放大器的輸出V+、V-相連接，REF腳(第5腳)與A/D轉(zhuǎn)換器的Vref相連接，從而完成雙端輸入到輸出零電平平移到Vref，滿足A/D轉(zhuǎn)換器對正負(fù)雙極性脈沖信號零電平的要求(即當(dāng) Vref=2. 5V時，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為Vref ±2. 5V)，因而本發(fā)明主機既可對正脈沖進(jìn)行測量，也可對負(fù)脈沖進(jìn)行測量，所以，在將本發(fā)明的鉗形電流傳感器卡入待測電流回路時， 對卡入方向無要求。增益控制電阻R301采用高穩(wěn)定度的精密電阻，以保證主機具有極高的穩(wěn)定性。圖4為低通濾波器原理圖，該低通濾波器使用4個具有不同Q值的2階單位增益濾波器串接構(gòu)成8階具有通帶內(nèi)平坦的幅度和一致的群延時的貝塞耳低通濾波器(Bessel. LPF)，其中U201A、R203、R204、C208、C214 構(gòu)成第 I 節(jié)低通濾波器，U201B、R205、R206、C209、 C215構(gòu)成第2節(jié)低通濾波器，U202A、R207、R208、C210、C216構(gòu)成第3節(jié)低通濾波器，U202B、 R209、R210、C211、C217構(gòu)成第4節(jié)低通濾波器；第I節(jié)低通濾波器的中心頻率為17. 84KHz, Q值為O. 5060，第2節(jié)低通濾波器的中心頻率為18. 38KHz，Q值為O. 5600，第3節(jié)低通濾波器的中心頻率為19. 58KHz，Q值為O. 7110，第4節(jié)低通濾波器的中心頻率為21. 96KHz，Q值為I. 2260 ;圖5為該低通濾波器的頻率響應(yīng)與群延時，從該圖可以得出4節(jié)低通濾波器串接后_3db帶寬為ΙΟΚΗζ，在IOOKHz時衰減量為-114. 2dB，在125KHz時衰減量為-129. 6dB ； 圖6為該低通濾波器的躍階響應(yīng)，從該圖可以得出該低通濾波器對躍階輸入信號的延時為 50 μ S，上升時間為34. 6 μ S。U203A、R212、R213、R214、C218構(gòu)成2倍增益同相放大器， U203B為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入緩沖器。A/D轉(zhuǎn)換器使用采樣頻率為250KSPS，分辨率為16位的6通道同步采樣轉(zhuǎn)換器件ADS8364，使用高分辨率快速采樣提高了窄脈寬電流信號測量精度，但寬脈寬電流信號時將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率高達(dá)48MbPS，多數(shù)MPU都無法完成如此巨大的數(shù)據(jù)量處理，因此采用 Altera公司生產(chǎn)的ACEX系列中的EP1K100 FPGA，該FPGA具有10000個門單元電路，12個 EBA,主要通過提取計算特征量完成數(shù)據(jù)壓縮任務(wù)，該數(shù)據(jù)處理模塊具有基線計算功能、電流平均值計算功能、脈沖頂部電流平均值計算功能、脈沖極性判斷功能、脈沖前沿數(shù)據(jù)存儲功能、脈沖后沿數(shù)據(jù)存儲功能、正脈沖前沿上升時間計算功能、正脈沖后沿下降時間計算功能、負(fù)脈沖前沿下降時間計算功能、負(fù)脈沖后沿上升時間計算功能、脈寬計算功能、mAs計算功能和mAs閾值判斷功能。FPGA數(shù)據(jù)處理器由于受FPGA邏輯門數(shù)限制無法同時將所有功能的軟件容納下，因而用戶設(shè)定主機工作模式時MPU模塊根據(jù)工作模式調(diào)用能完成需要的部分功能對FPGA數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行現(xiàn)場配置。MPU模塊采用μ Psd3254完成對整機進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)處理、對FPGA數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行現(xiàn)場配置等功能。鍵盤模塊可實現(xiàn)參數(shù)修改及控制功能。顯示器采用彩色點陣型IXD顯示器，可顯示測量結(jié)果、鉗形電流傳感器狀態(tài)、主機工作狀態(tài)及參數(shù)；LCD顯示器用常態(tài)顏色顯示鉗形電流傳感器的軟件版本號，用非常態(tài)顏色顯示異常的軟件版本號，表明可能存在通訊故障，該非常態(tài)顏色可由用戶通過自定義為除常態(tài)顏色以外的其他顏色而改變；LCD顯示器可顯示主機的軟件版本號；LCD顯示器可顯示主機由內(nèi)置電池供電還是外置電池供電；LCD顯示器可顯示外置電源供電的供電電壓， 當(dāng)外置電源供電電壓高于3V時用常態(tài)顏色顯示，當(dāng)外置電源供電電壓低于3V時用非常態(tài)顏色顯示，該非常態(tài)顏色可由用戶通過自定義為除常態(tài)顏色以外的其他顏色而改變；LCD 顯示器可顯示主機由內(nèi)置電池供電的充電狀態(tài)，具有正在充電指示和充電已充滿指示；LCD 顯示器可顯示主機內(nèi)置電池供電的電量狀態(tài)，具有電池電量滿、電量不足指示，電量不足時用非常態(tài)顏色顯示，該非常態(tài)顏色可由用戶通過自定義為除常態(tài)顏色以外的其他顏色而改變；IXD顯示器可顯示IXD背光的亮度狀態(tài)；IXD顯示器可顯示主機當(dāng)前的日期和時間信肩、O無線傳輸模塊包括Class I藍(lán)牙集成電路和工作在ISM頻段的433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸集成電路，因而其具有Class I藍(lán)牙功能和工作在ISM (即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段的 433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸功能；當(dāng)工作在藍(lán)牙無線傳輸模式時，與配備藍(lán)牙Class I的上位機在開闊場地傳輸距離能達(dá)到100米，與配備藍(lán)牙Class 2的上位機在開闊場地傳輸距離能達(dá)到30米；當(dāng)工作在433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸模式時，與配備433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)模塊的上位機在開闊場地傳輸距離能達(dá)到1000米；因此，在屏蔽較好的控制室內(nèi)采用433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸模式，而在有鉛玻璃觀察窗的控制室內(nèi)既可采用433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸模式也可采用藍(lán)牙模式。所述電源管理模塊可滿足整機對各種電源的需求(如5V、3. 3V、2. 5V、模擬電路所需的±5V等)，并且在MPU模塊的控制下可實現(xiàn)對主機和檢測裝置內(nèi)各模塊的供電根據(jù)需要進(jìn)行關(guān)斷，以延長電池使用時間。上位機既可以是PDA、筆記本電腦，也可是臺式計算機，根據(jù)配置上位機可使用自帶的藍(lán)牙設(shè)備實現(xiàn)與主機雙向無線通訊，也可使用特定的藍(lán)牙Class I設(shè)備實現(xiàn)與主機雙向無線通訊以降低X射線屏蔽室對通訊的阻擋作用，還可使用433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)模塊以進(jìn)一步降低X射線屏蔽室對通訊的阻擋作用。上位機通過與主機雙向無線通訊，實現(xiàn)對主機的控制和采集的數(shù)據(jù)共享。本發(fā)明的主機內(nèi)的FPGA數(shù)據(jù)處理器上還連接有SRAM存儲器和SD存儲卡。SRAM 存儲器采用四片M68AF127，每片M68AF127為128KB，故SRAM存儲器總?cè)萘繛?12KB ；SRAM 存儲器直接與FPGA數(shù)據(jù)處理器連接，供FPGA數(shù)據(jù)處理器處理數(shù)據(jù)時使用，電源管理模塊可以關(guān)閉不使用的SRAM芯片的供電，以降低功耗；SD存儲卡直接與FPGA數(shù)據(jù)處理器連接，供 FPGA將數(shù)據(jù)存儲到SD存儲卡中，由計算機讀出SD存儲卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，電源管理模塊根據(jù)需要可以關(guān)閉使用的SD芯片的供電，以降低功耗。本發(fā)明的主機內(nèi)的MPU模塊上還連接有FPGA配置文件模塊和顯示器背光亮度調(diào)整模塊。所述FPGA配置文件模塊，由大容量FLASH構(gòu)成，由MPU模塊對其進(jìn)行讀寫操作，用于存儲FPGA數(shù)據(jù)處理器的多個配置文件。所述的顯示器背光亮度調(diào)整模塊可在MPU模塊的控制下根據(jù)需要實現(xiàn)不同的亮度等級及關(guān)閉功能以降低功耗。本實施例中顯示器背光亮度調(diào)整模塊可使顯示器背光亮度從ο°/Γιοο%變化，分為11級，每級變化10%;當(dāng)有按鍵按下時，顯示器背光亮度為按鍵亮度，該亮度可由用戶在5(Γ100%范圍內(nèi)設(shè)定，該亮度的持續(xù)時間可由用戶在10iTl20S范圍內(nèi)設(shè)定；當(dāng)檢測裝置采集到有效數(shù)據(jù)時，顯示器背光亮度為數(shù)據(jù)顯示亮度，該亮度可由用戶在5(Γ100%范圍內(nèi)設(shè)定，該亮度的持續(xù)時間可由用戶在10iTl20S范圍內(nèi)設(shè)定；當(dāng)主機與上位機進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通訊時，LCD顯示器背光亮度為數(shù)據(jù)通訊顯示亮度，該亮度可由用戶在 3(Γ100%范圍內(nèi)設(shè)定，該亮度在結(jié)束通訊后的持續(xù)時間可由用戶在Is 120s范圍內(nèi)設(shè)定；當(dāng)長時無按鍵按下且未采集到有效數(shù)據(jù)和無無線數(shù)據(jù)通訊時，LCD顯示器背光亮度為休眠亮度，該亮度可由用戶在0°/Γ30%范圍內(nèi)設(shè)定。本發(fā)明的主機內(nèi)的主放大器上的還連接有檢測裝置連接檢測模塊，檢測裝置連接檢測模塊的輸出端連接到MPU模塊。檢測裝置連接檢測模塊可檢測到鉗形電流傳感器是否連接，從而由MPU模塊判斷出檢測裝置是否連接，以及在已連接情況下出現(xiàn)的通訊故障。本發(fā)明的鉗形電流傳感器的前置放大器的V+、V-兩個信號輸出端分別使用線路與主機中的主放大器的兩個輸入連接，采用這樣的雙線連接結(jié)構(gòu)可以避免鉗形電流傳感器供電電流在地線上形成的壓差信號對輸出信號的影響。而且檢測裝置與主機中的主放大器之間的連接線即多芯電纜中的每條線都有各自屏蔽層，進(jìn)一步避免Tx和Rx線路對輸出信號的影響。本發(fā)明的主機工作模式有三種工作模式透視模式、變頻機拍片模式、工頻機拍片模式。FPGA數(shù)據(jù)處理器在三種工作模式下的功能分配如下
Cl)當(dāng)用戶在主機或與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機選定測量透視模電流時=FPGA數(shù)據(jù)處理器被MPU模塊配置為小電流連續(xù)測量，量程檔位控制模塊和主放大器作相應(yīng)調(diào)整；在鉗口完全閉合且X射線機未透視時，用戶下達(dá)測量零點指令后，MPU模塊給CPU模塊發(fā)出調(diào)零指令，并讀取CPU模塊中的環(huán)境溫度數(shù)值、序列號和校準(zhǔn)系數(shù)，CPU模塊收到該指令后給模擬開關(guān)U103的控制端調(diào)零控制信號，模擬開關(guān)接通，鉗形電流傳感器的前置放大器被調(diào)整為輸出零電位，MPU模塊延時一段時間后，F(xiàn)PGA輸出此時零電流的基線值10，主機記錄完成后，主機或與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機顯示準(zhǔn)備就緒，X射線機開機透視后，F(xiàn)PGA輸出此時零電流的值J1，主機顯示扣除基線并乘以校準(zhǔn)值G后的透視電流/t=G· (J1-Z0);
如圖7是本發(fā)明的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊在透視模式下軟件功能框圖，為了實現(xiàn)本功能， FPGA中軟件首先進(jìn)行第I級運算將每4個A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果相加，并去掉最低位(LSB)，得到17位累加結(jié)果作為第2級運算的輸入，同時數(shù)據(jù)率降為62. 5 kHz，然后進(jìn)行第2級第I 次運算每4個第I級運算的結(jié)果再次相加并去掉最低2位，得到17位累加結(jié)果作為下次運算的輸入，第2級第2次運算到第8次運算與第2級第I次運算類似，經(jīng)過8次這樣的運算后，F(xiàn)PGA按I. 048576 Hz的頻率向MPU發(fā)出中斷信號INTO，MPU模塊讀出第2級第8次運算的結(jié)果后計算出透視電流，因此主機或與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機按大約每秒I次的刷新速度顯示測量結(jié)果，該測量結(jié)果是262144個A/D采樣結(jié)果的平均值，因而結(jié)果的重復(fù)性極高；
A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果緩存需要8個字節(jié)，第I級運算后的結(jié)果緩存需要12字節(jié)，第2級第I運算后的結(jié)果緩存需要12字節(jié)，第2級算后的結(jié)果緩存需要96字節(jié)，共需116字節(jié)，因此在 FPGA中使用EBA構(gòu)造成4kbits雙口 RAM即可滿足要求，所以在此模式下，可以不使用SRAM， 為降低功耗，關(guān)閉SRAM的供電。(2)當(dāng)用戶在主機或與主機無線連接的遠(yuǎn)程上位機選定測量變頻機拍片模式下的管電流時=FPGA被MPU模塊配置為大電流單次脈沖觸發(fā)測量，量程檔位控制模塊和主放大器模塊作相應(yīng)調(diào)整；在鉗口完全閉合且X射線機未透視時，用戶下達(dá)測量零點指令后，F(xiàn)PGA與MPU配合計算出零電流的基線值平均值為Z0的同時，F(xiàn)PGA將單位時間Λ t內(nèi)的基線值進(jìn)行累加，其結(jié)果為基線的電流時間積分由MPU記錄，MPU計算出若干個Λ 時間內(nèi)的基線的電流時間積分平均值為 ^μ X射線機開機拍片時，F(xiàn)PGA輸出的第i個單位時間Λ 內(nèi)的電流時間積分為(i)由MPU記錄，F(xiàn)PGA后沿判斷滿足后，S卩i=l到# 的時間范圍包含了全部拍片時間，MPU計算出扣除基線并乘以校準(zhǔn)值后的電流時間積分
權(quán)利要求
1.便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于包括檢測裝置和主機，所述的檢測裝置通過多芯電纜與主機連接；檢測裝置包括鉗形電流傳感器和控制組件，控制組件包括零電位輸出控制模塊、量程檔位控制模塊和CPU模塊，所述的零電位輸出控制模塊的兩個模擬信號輸出端與鉗形電流傳感器的零電位按鍵的兩觸點連接，量程檔位控制模塊中的模擬開關(guān)與鉗形電流傳感器的量程各觸點連接，所述的零電位輸出控制模塊、量程檔位控制模塊的控制端連接在CPU模塊上；所述的主機內(nèi)設(shè)置有主放大器、FPGA數(shù)據(jù)處理器、MPU模塊、鍵盤模塊、顯示器、無線傳輸模塊、檢測裝置連接檢測模塊和電源管理模塊，主放大器的兩個輸入端通過多芯電纜分別與檢測裝置中的前置放大器上的V+、V-信號輸出端相連接，主放大器的輸出依次通過濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器連接到FPGA數(shù)據(jù)處理器，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理器、鍵盤模塊、顯示器和無線傳輸模塊都與MPU模塊相連接，MPU模塊的Rx、Tx端通過多芯電纜連接檢測裝置中CPU模塊的 MPU模塊的Tx、Rx端，其還通過無線傳輸模塊連接遠(yuǎn)端的上位機，所述的電源管理模塊連接主機內(nèi)所有模塊，電源管理模塊還通過多芯電纜連接檢測裝置內(nèi)的所有模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于所述的控制組件上還設(shè)有鉗ロ閉合狀態(tài)檢測模塊、溫度傳感器模塊、序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊，鉗ロ閉合狀態(tài)檢測模塊、溫度傳感器模塊、序列號存儲模塊和校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊都連接CPU模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于所述的主機內(nèi)的FPGA數(shù)據(jù)處理器上還連接有SRAM存儲器和SD存儲卡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于所述的主機內(nèi)的MPU模塊上還連接有FPGA配置文件模塊和顯示器背光亮度調(diào)整模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于所述的主機內(nèi)的主放大器上的還連接有檢測裝置連接檢測模塊，檢測裝置連接檢測模塊的輸出端連接到MPU模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于所述的多芯電纜中的每條線都有各自屏蔽層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式X射線機管電流非介入測量儀，其特征在于，所述的無線傳輸模塊包括Class I藍(lán)牙集成電路和工作在ISM頻段的433MHz無線數(shù)據(jù)傳輸集成電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式X射線機管電流非介入測量儀，包括檢測裝置和主機，所述的檢測裝置通過多芯電纜與主機連接，檢測裝置包括鉗形電流傳感器和設(shè)置在鉗形電流傳感器內(nèi)的控制組件。本發(fā)明的檢測裝置與主機采用V+、V-雙線連接結(jié)構(gòu)，避免了供電電流在地線上形成的壓差信號對輸出信號的影響；主機中增加校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊，使檢測裝置具有互換性；FPGA數(shù)據(jù)處理器提高了對窄脈寬電流信號測量精度；通過主機以及與主機無線連接的上位機對鉗形電流傳感器量程檔位和調(diào)零的控制、對鉗形電流傳感器工作狀態(tài)的獲取，解決了測量人員對主機操作和讀取數(shù)據(jù)極不方便的缺點。
文檔編號G01R19/25GK102608405SQ201210075279
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者劉志宏 申請人:劉志宏