X线机高压测量分析仪的研制

张连强，陈基明，许耀良，季家红，李国栋

X线机高压测量分析仪的研制

张连强，陈基明，许耀良，季家红，李国栋

目的：设计和研制X线机高压测量分析仪，用于X线机的维修检测和计量检定以及对新设备的验收，确保X线机高压输出的准确和稳定。方法：系统由高压分压电路、阻抗转换电路、数据采集、USB接口和计算机等5部分组成。通过高压分压电路取得高压发生器的分压信号，经阻抗转换电路将信号输入到数据采集系统，再由USB接口输入到计算机，实现信号的实时显示、存储、分析和计算。结果：该系统能够实现快速、实时的数据采集，并能够实时显示数据波形，计算X线机输出高压的参数，对X线机进行实时测试，符合设计要求。结论：通过对X线机的高压进行测试，验证该仪器信号采集精度高，计算结果精确；由于该研究的降压部件体积小、质量小、携带方便，而且作为上位机的计算机已在医院普及，容易实现系统配套，成本低，可作为医院质量控制的检测装置。

X线机；阻抗转换；信号采集；USB接口；高压测量

AbstractObjectiveTo design and develop a X-ray high voltage measurement and analysis instrument which can be used for maintenance measurement and calibration of X-ray machine.MethodsThe whole system was made up of five parts.The bleeder signal of the high voltage generator was obtained through the high-voltage bleeder circuit,and input into the data acquisition system by the Impedance conversion circuit and into the computer by USB interface,and then the real-time display,acquisition,analysis and calculation of the signal could be implemented.ResultsUSB interface not only could realize the immediate and reliable transformation of the data,but also made the whole system more integrated and easier to install and use.ConclusionThe high voltage test of X-ray machine shows that the instrument is gifted with a high signal acquisition precision and accurate calculation result,which can be used as the detection instrument for hospital quality control because of its perfect portability,low cost and integrity.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：4-6]

Key wordsX-ray machine;impedance conversion;data acquisition;USB interface;high-voltage measurement

1 引言

X线机在实行摄片过程中，摄片的曝光剂量由管电压、管电流和曝光时间来确定，现在的X线机都采用程式控制方式，通过选择部位及人体胖瘦来改变曝光剂量，实际工作时，管电压是根据被照人体部位及胖瘦由投照技师来确定的，这项参数在曝光过程中需要保持稳定，而管电流和曝光时间的控制大都采用传感器接收曝光剂量实现曝光自动结束，因此在曝光过程中管电压的控制对摄片的质量尤其重要[1]。另外，根据《JJG 744—2004，医用诊断X射线辐射源检定规程》，X线机的质量控制重点在辐射源，管电压正是X线辐射质量控制的重要参数。本课题研制的X线机高压测量分析仪对X线机次级高压进行实时测量、分析，判定高压的性能参数，为选择摄片条件及X线机的质量控制提供便捷精确的手段。本系统成本低廉、携带方便，也可作为X线机维修、检测、军队医学计量三级站的计量保障设备。

2 国内外现状

X线机高压的测量由来已久，20世纪70—80年代国外采用降压油箱和指针表对高压次级进行测量，这种技术装置结构简单、操作方便。它的缺点是：技术落后，高压油箱体积大，携带不方便，测量的结果只能得到管电压的有效值。目前，国内外都采用传感器对X线的能量进行分析，间接测量管电压的值，技术含量高，携带方便，但价格昂贵，测量的值不能直接反映高压本身，无法做到剂量溯源。本研究采用高压油箱对高压进行分压，再把得到的信号进行A/D转换，通过USB接口把数据传输到计算机中，用计算机按我们设计的数据处理程序对数据进行分析，计算获得所需的管电压参数。本课题研制的仪器精度高、成本低、携带方便，并且能够实现波形显示和分析。

3 设计思路

随着低成本高性能计算机的普及运用，大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。所有测量测试仪器的主要功能都由信号获取、数据采集与控制、数据分析与处理、结果的表达与输出等3部分组成[2]，信号获取一般由相应传感电路实现，数据采集由A/D转换和相应的控制信号完成，得到的数据传输到计算机中，再由计算机完成数据分析处理和结果的表达。

本设计也类同于以上构成，首先，在高压油箱中，根据高压分压原理，按比例将管电压转化为低电压；其次，将低电压信号进行阻抗变换，再和A/D转换电路连接完成数据采集；然后，把数据通过USB接口传输至计算机中，计算机程序对数据进行存储、计算等进行分析与处理；最后，实现计算结果、电压波形的实时显示，系统构成如图1所示。

图1 高压测量仪系统框图

分压电路：球管产生X线的条件之一是在球管两端加上一个高电压，常规摄影的管电压范围在40～150kV，一般采用正负各半的方法，所以我们需要测量的管电压在+20～+75kV，或-75～-20kV，如此高的电压一般无法测量，必须降压，因此，我们采用电阻分压电路按比例把管电压降到A/D器件输入允许的范围内。

作者单位：100142 北京 空军总医院医学工程科（张连强、陈基明、许耀良、季家红、李国栋）

阻抗变换电路：模拟信号的处理通过不同功能的电路模块来实现，电路模块之间的信号传输需要实现阻抗匹配，一般的模块都有高输入阻抗和低输出阻抗的特性，这样才能保证信号的正确传输。由于分压电路的分压比很大，因此它的输出阻抗也很大，这样分压电路就无法与A/D转换电路直接匹配，用运放[3]组成阻抗变换电路，用来降低输出阻抗并与A/D转换电路匹配，能够起到有效传输信号的作用。

A/D转换电路：阻抗变换电路的输出信号连接到A/D转换的输入端，经过数字化转换为12位数据，模拟量的输入范围是0～5 V，A/D转换后的12位数据值的范围是0～4 095，此数据传输到USB数据传输接口。

USB数据传输接口：USB接口使用方便、传输速度块、价格低廉[4]，是每台计算机都标配的接口，从A/D转换传输来的数据暂存在此电路的FIFO中，再按USB传输指令顺序传输到计算机中，由计算机中的程序完成存储、计算等功能。

数据分析：数据分析主要有波形显示和高压计算2部分功能。A/D转换的速度大约在3MHz/s，得到的数据量非常大，无法用读取数据的方法对高压的稳定性进行判断，如果用高压的幅值数据按采样的先后顺序在屏幕上显示，根据显示波形的形态就很容易看出波形的稳定性；另外，还可以对数据进行计算分析，求取管电压的峰值、波动的范围等参数，以此判断X线机高压输出的性能。

4 具体实现

本课题通过硬件和软件2部分来实现。硬件部分主要有高压分压油箱及分压电路、阻抗变换电路、数据采集电路、USB数据传输接口电路和计算机；软件部分主要包括USB驱动、波形显示、电压数值计算等。

4.1 硬件实现

4.1.1 高压分压电路

高压分压电路由分压电阻和滤波元件组成，所用元件具有高耐压、高精度的特性，采用30 kV/1 V的高压分压比，分压后的信号经过适当的RC电路对取样电平做波形整形，连接到标准BNC接头输出。在制作高压分压电路板时，应保证焊点、引线圆滑饱满，防止高压放电。

4.1.2 高压分压油箱

高压分压电路和高压输入输出插座连接，并把它们置于密闭金属厢体中，再在厢体内充满45#高压绝缘油（变压器油）。经过试验，高压输入和输出端在插座紧密排布的情况下，没有发生击穿现象。最后，制成的高压分压油箱（内含高压输入输出插座和分压电路）大小为：（长×宽×高）320mm×270mm×250mm，实物图如图2所示。为了便于携带，在高压分压油箱两端设计了提梁。

图2 高压油箱实物照片

4.1.3 阻抗变换电路

测量时被测高压经过分压电路得到信号电压，分压电路和X线机高压供电电路并联，为了减小分流作用，分压电阻采用高阻值电阻，如果将输出直接和A/D输入相连，A/D的输入阻抗将会改变分压电阻值，影像分压比，最终导致分压信号达不到要求的精度。因此，为了消除输入输出阻抗的影像，在分压电路和A/D之间增加阻抗变换电路，具体实现参见本刊2010年第7期相关文章[5]。

4.1.4 数据采集电路和USB接口电路

本数据采集电路中使用USB接口实现快速可靠的数据传输，同时也便于系统的集成化以及安装和使用。通用串行总线（universal serial bus，USB）作为串行接口的一种，为计算机和外设之间提供了快速可靠的数据交换方式[6]，目前通用的是USB2.0总线规范，在高速传输模式下的传输带宽可以达到480 Mb/s。同时，USB还支持即插即用、热插拔和自动的设备检测功能，方便了数据采集卡的安装和使用。USB接口的耗电量小，并且可以从总线获取电源为外设供电，简化了系统设计。基于以上特性，本课题中我们采用USB接口实现采样数据到计算机之间的传送。

本研究的数据采集电路采用单通道A/D转换、USB2.0总线接口电路。采用CPLD作为微控制器对A/D模数转换、FIFO数据存储和USB桥的数据传输进行控制。外部模拟信号接入模拟量输入端，经过放大器实现信号的放大之后，信号输入到A/D转换器的输入端，由CPLD输出采集控制信号控制A/D芯片对信号进行转换，并将转换结果发送至高速FIFO中暂时存储起来，在CPLD统一的时钟控制下，FIFO中的数据进入USB桥。USB桥在CPLD的控制下，将数据按照USB2.0协议打包，通过USB线送至PC的用户缓冲区中，实现对外部信号的连续采集和数据传输，数据采集原理框图如图3所示。

图3 数据采集原理图

本设计的数据采集电路采用了analog的A/D9220芯片，它的最高采样频率可以达到10 MHz，A/D转换位数为12位，采用软件触发方式，利用上位机应用程序启动采集后，对输入的模拟量自动进行定时采集。经过实际测量，此数据采集电路的采样速度最高可以达到5 Mbps，可以实现高速、高精度的实时数据采集。

USB接口的开发包括硬件电路设计、USB芯片固件程序开发、USB主机的驱动程序编辑和上位机应用程序编程等，最终实现USB设备的主要功能以及USB设备和主机之间的数据通信，将经过A/D转化暂存在FIFO中的数据送入计算机的底层驱动程序。USB桥部分的芯片采用Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片中最典型的CY7C68013芯片，它是集成了USB2.0协议的微处理器，芯片集成了USB2.0收发器、串行接口引擎SIE、增强型8051微控制器、8.5 KB RAM、4 KB FIFO存储器和通用可编程接口等，是一种完全集成的USB2.0方案[7]。

整个硬件系统设计中，电路原理图绘制和PCB设计采用Protel99 SE软件实现；采用复杂可编程逻辑器件CPLD硬件设计平台进行时序设计，借助于Quartus II软件开发环境，使用Verilog HDL语言对时序关系进行硬件描述[8]。

4.2 软件实现

本设计的软件由2部分组成：一部分用来对USB固件进行编程及对USB接口和A/D转换进行初始化；另一部分用来实现数据采集、存储、显示和计算，我们称为计算机主程序。

4.2.1 USB固件程序

USB芯片的固件程序负责整个系统中最底层的工作，用于实现USB设备的主要功能以及USB和主机之间的数据通信，是开发中的关键部分。本固件程序设计针对数据传输系统的特点，充分利用CY7C68013芯片的串行接口引擎（serial interface engine，SIE）、“量子FIFO”处理架构以及通用可编程接口（general programmable interface，GPIF）等独特设计，选择GPIF模式下的FIFO读事务处理和批量传输模式，将外部FIFO中的数据通过具有4重缓冲深度的端点EP2自动打包发送至USB数据域，由SIE将数据按照USB2.0协议发送至主机[9]。设计时尽可能减少CPU的参与，获取更大的带宽，提高了数据传输速度。

同时，CY7C68013芯片的SIE可以代替8051内核完成串行数据的解码、差错控制、位填充等与USB协议有关的基本功能，简化了固件程序设计。因此，CY7C68013固件程序设计只需包括GPIF波形设计、端点配置和读事务处理等，即可实现基于USB2.0的单向数据传输功能。

USB固件程序的编辑基于Keil uVertion2软件开发环境，使用嵌入式C语言实现相关设计；USB上位机应用程序编程基于Visual C++软件开发环境[10]。

4.2.2 计算机主程序

计算机主程序主要实现A/D转换的参数选取、USB数据的接收、存储、波形显示和参数计算等功能。程序执行后，操作者可以通过点击窗口的“启动”和“结束”按钮来控制数据采集和结束，还可以点击相关参数设定按钮设置数据采集参数，如采样频率、采样时间长度等，具体详述参见本刊2010年第7期相关文章[5]。

5 数据采集实验及结果

5.1 系统的安装

将X线机的高压输出电缆和高压分压油箱相连，高压油箱的高压输出与球管相连，高压油箱的输出信号线连接到阻抗变换电路，阻抗变换电路的输出和数据采集电路、USB接口电路相连，USB接口通过USB线和计算机连接。当计算机检测到USB线时，计算机会提示找到新硬件并要求安装驱动。按照提示安装硬件驱动程序，当系统提示新硬件已经安装并可以使用后，这时数据采集卡已经实现与计算机的连接和通讯，打开上位机数据采集应用程序，便可以进行数据采集参数设置及数据采集、显示等相关的操作。

5.2 数据采集及结果

完成系统安装后，打开计算机应用程序，就可以设置采集参数、实行数据采集，采集到的波形如图4所示。

图4 采集到的信号波形

波形参数计算。反映高压波形性能的参数主要有管电压值和纹波系数，计算管电压采用了平均法和积分法，纹波系数的计算是把波峰最大值和波峰最小值之差和管电压值相比，具体计算方法如下所述。

平均法求管电压是将采集得到的数据相加除以采集点的个数，计算方法按公式（1）：

其中，f（t）为脉冲的幅值函数；n为数据个数；U为计算得到的平均值。

用积分法求取管电压时，将采集的数据和时间间隔相乘并且累加，最后再除以采集的总时间，按公式（2）计算：

其中，f（t）为脉冲的幅值；△t为脉冲宽度；T为总的采样时间；U为计算得到的平均值。

纹波系数反映高压的稳定程度，它是高压输出波动的波动和平均值之比，按公式（3）求得：

其中，U为管电压值；UPmax是管电压波峰最大值；UPmin是管电压波峰最小值。

6 结论

本课题通过设计高压分压电路、阻抗变换电路、数据采集和USB传输电路及相应程序，实现了X线机高压数据采集、波形显示及数据分析。使用本系统对万东和岛津5台X线机进行测量，仪器设计参数符合要求，能够直观看到波形及纹波，通过主程序计算能够得到管电压和纹波系数等参数。

本设计中的分压部件体积小、质量小、携带方便，本系统信号采集精度高，计算结果精确，作为上位机的计算机已在医院普及，容易实现系统配套，成本低，可以作为医院质量控制的检测装置。

[1]商玉英.PQ-5000 CT机中的高压发生器系统[J].医疗设备信息，2002，17（2）：21-22.

[2]邢跃健，彭树生.基于USB接口的数据采集和控制卡设计[J].微计算机信息（测控自动化），2005，21（2）：35-37.

[3]周永坤.运放电路的分析方法[J].中国科技信息，2005，12（17）：9-11.

[4]杨勇.基于USB和便携式医疗设备的数据采集系统实现[J].微计算机信息（测控自动化），2007，23（3-1）：111-113.

[5]陈基明，张连强，许耀良，等.X射线高压测量分析仪信号采集系统的研制[J].医疗卫生装备，2010，31（7）：15-18.

[6]田宇，付少锋，田玉敏.基于US B2.0的高速数据采集系统软件设计[J].微计算机信息（测控自动化），2009，25（6）：105-106.

[7]蒋金涛，杨鸣.USB 2.0控制器EZ-USB-FX2的性能特点及其数据传输实现[J].计算机工程与应用，2005，42（11）：94－96.

[8]夏宇闻.Verilog HDL入门[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[9]萧世文.USB 2.0硬件设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[10]孙鑫，余安萍.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2006.

（收稿：2010-09-10 修回：2010-11-16）

Development of X-ray High Voltage Measurement and Analysis Instrument

ZHANG Lian-qiang,CHEN Ji-ming,XU Yao-liang,JI Jia-hong,LI Guo-dong
(Medical Engineering Department,General Hospital of Airforce,Beijing 100142,China)

TH774

A

1003-8868（2011）02-0004-03

空军总医院科研项目（KZ06M009）

张连强（1964-），男，天津人，硕士，高级工程师，主要从事医学工程管理及医学影像设备等方面的研究工作，E-mail：zhlianqiang@sina.com。