全文摘要
本实用新型属于医学超声仪器领域，公开了一种采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路，包括：实现超声骨密度检测核心控制和运算的TDC控制芯片；TDC控制芯片的发射引脚和接收引脚通过模拟开关与超声探头晶片相连接，TDC控制芯片还通过数据线连接双接收端。使用TDC‑GP22替代FPGA作为超声骨密度检测的核心控制运算芯片，简化了硬件电路，省掉了部分软件编写工作，并且降低了成本。与传统的采用FPGA或CPLD的作为核心控制和运算器件的超声骨密度仪相比，硬件成本降低，省去了软件编写，缩短了开发周期，缩短了产品的上市时间。
主设计要求
1.一种采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路，其特征在于，所述采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路包括：实现超声骨密度检测核心控制和运算的TDC控制芯片；TDC控制芯片的发射引脚和接收引脚通过模拟开关与超声探头晶片相连接；TDC控制芯片还通过数据线连接双接收端。
设计方案
1.一种采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路，其特征在于，所述采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路包括：
实现超声骨密度检测核心控制和运算的TDC控制芯片；
TDC控制芯片的发射引脚和接收引脚通过模拟开关与超声探头晶片相连接；
TDC控制芯片还通过数据线连接双接收端。
2.如权利要求1所述的采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路，其特征在于，该采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路采用双接收晶片结构，所述TDC控制芯片的信号接收端连接放大电路和滤波电路。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于医学超声仪器领域，尤其涉及一种采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路。
背景技术
超声骨密度仪作为一种新型的骨密度检测仪器，是一种更加安全、更加经济有效的检测形式已被医学界广泛接受。仪器装备了手持式超声探头来发生和接收超声波。每个探头含有多个晶片传感器，其中一些作为超声信号发生器，而其它则用于接收超声信号。测量期间，探头直接放置于相关部位皮肤上。超声由发生传感器发出，沿骨轴方向传送后由接收传感器接收。仪器通过超声信号通过人体骨骼中的声速来判断人体的骨质强度。由于超声信号通过相对密度大的介质时速度更快，因此超声信号通过骨骼皮质层的速度比通过松质层的速度快，近似比值为4000米\/秒比1800米\/秒。而信号通过软组织的速度则较骨骼部分慢得多，并且实际上信号无法通过空气传播。因此测量结果完全反映了骨骼的真实情况。
目前市场上现有的超声骨密度仪对超声信号处理方法是采用FPGA搭配MCU的硬件设计方法，由FPGA控制超声信号的发射和接收电路，对超声探头进行激励并接收ADC转换的数字信号进行处理，MCU进行算法运算并与上位机通讯。此种方法FPGA需要搭配ADC组合使用，外围电路较复杂，硬件成本高，且FPGA需要用HDL语言进行编程，工作量大。
目前主流的超声骨密度检测电路通常采用FPGA或CPLD对超声探头进行激励，并通过FPGA或CPLD接收到的每个脉冲波形进行数字处理和运算来提取信号，电路组成较为复杂、芯片价格高且软件编写较为复杂。
综上所述，本方案能解决的技术问题有：
(1)现有方法FPGA需要搭配ADC组合使用，外围电路较复杂，硬件成本高，且FPGA需要用HDL语言进行编程，工作量大。
(2)通过FPGA或CPLD接收到的每个脉冲波形进行数字处理和运算来提取信号，电路组成较为复杂、芯片价格高且软件编写较为复杂。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路。
本实用新型是这样实现的，一种采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路包括：
实现超声骨密度检测核心控制和运算的TDC控制芯片；
TDC控制芯片的FIRE UP发射端和STOP接收端通过模拟开关与超声探头晶片相连接；
TDC控制芯片通过SPI接口与MCU进行数据通信；
进一步，该采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路采用双接收晶片结构，所述TDC控制芯片的信号接收端连接放大电路和滤波电路。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
现有方法FPGA需要搭配ADC组合使用，通过FPGA接收到的每个脉冲波形进行数字处理和运算来提取信号，外围电路较复杂，硬件成本高，采用TDC控制芯片的超声骨密度测量仪能够简化周围电路、缩减成本，且更利于仪器的小型化。
FPGA需要用HDL语言进行编程，工作量大。TDC控制芯片仅需要设计MCU的程序，缩短了设计周期。
ADC对电路噪声很敏感，复杂的电路结构会增大系统噪声，影响信号采集精度，从而影响测量精度。TDC控制芯片有独特的波形提取技术，双通道测量的典型精度仅有90ps，有利于设计更高精度的超声骨密度仪
使用TDC-GP22替代FPGA作为超声骨密度检测的核心控制运算芯片，简化了硬件电路，省掉了部分软件编写工作，并且降低了成本。与传统的采用FPGA或CPLD的作为核心控制和运算器件的超声骨密度仪相比，有利于高精度的骨密度仪开发，并且硬件成本更低，省去了HDL程序的编写，缩短了开发周期，缩短了产品的上市时间，能够为企业带来更好的经济效益。
(1)采用TDC控制芯片的超声骨密度测量仪能够简化周围电路、缩减成本，更利于仪器的小型化。
(2)采用TDC控制芯片的骨密度测量仪不需要用HDL语言对FPGA进行编程，仅需要设计MCU的程序，缩短了设计周期。
(3)ADC对电路噪声很敏感，复杂的电路结构会增大系统噪声，影响信号采集精度，TDC控制芯片有独特的波形提取技术，双通道的典型精度仅有90ps，有利于设计更高精度的超声骨密度仪
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的超声骨密度仪测量桡骨、胫骨、指骨的原理示意图；
图2是通常所用的FPGA或CPLD形式的超声骨密度仪的电路硬件结构图；
图3是本实用新型实施例提供的采用TDC-GP22作为核心控制和运算芯片的电路硬件结构图；
图4是本实用新型实施例提供的切换开关的控制波形图。
图中：1、发射端；2、接收端A；3、接收端B；4、皮肤软组织；5、骨骼。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1至附图4详细说明如下。
该采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片的电路涉及超声桡骨、胫骨、指骨骨密度的信号处理技术，使用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制运算芯片的电路。采用TDC-GP22替代FPGA或CPLD作为超声骨密度检测的核心控制运算芯片，省掉了部分软件编写工作，简化了硬件电路，使超声骨密度仪开发周期缩短，并且降低了成本。
该采用TDC控制芯片作为超声骨密度检测核心控制芯片和运算芯片，如ACAM公司生产TDC-GP22芯片；
骨密度检测采用双接收晶片形式，TDC控制芯片的发射和接收引脚需要通过模拟开关的方式与超声探头晶片相连接，通过数字信号控制模拟开关的通断，双接收端接收的信号依次送入TDC进行处理，切换时序必须与TDC的信号处理时间相错开，以免接收到错误的信号影响测量。
本实用新型的目的在于提供一种低成本、短开发周期的超声骨密度检测仪器，采用德国ACAM公司的TDC控制芯片TDC-GP22作为核心控制和运算芯片，接收到的波形只需要放大处理，就可以直接接入该核心芯片。
本实用新型的内容包括：
1)一种超声骨密度检测仪的控制和运算电路，采用TDC控制芯片作为核心控制和运算芯片，如ACAM公司生产TDC-GP22芯片；
2)骨密度检测采用双接收晶片形式，通过数字信号控制模拟开关的通断从而来切换超声晶片，信号接收端需加放大电路和滤波电路与TDC相连，从而尽可能减小噪声对信号的干扰。
超声骨密度仪测量桡骨、胫骨、指骨的原理如图1所示，超声探头的发射端1发出超声信号，信号经过人体皮肤软组织4和骨骼5中传输，由接收端A 2和接收端B 3接收超声信号。
接收端A 2收到的信号经过的路径Path(A)＝L+2D
接收端B 3收到的信号经过的路径Path(B)＝L+L1+2D
超声信号在骨骼5中传输的速度为：
TA<\/sub>和TB<\/sub>为接收端A 2和接收端B 3所接收到的超声信号距发射所用的时间，在测量过程中可以得出，L2为探头两接收晶片之间的间距为已知量，故可得出超声信号在骨骼5中的传输速度。
目前通常的超声信号处理方法是采用FPGA搭配MCU的硬件电路设计方法，如图2所示。FPGA发出信号后经过脉冲发生电路给到探头的发射端1，发射晶片发出超声信号，接收端A 2和接收端B 3接收到经过测量介质中传递过来的超声信号，接收的超声信号为模拟量所以需经过ADC进行模数转换，在通过FPGA进行信号处理。
本实用新型采用TDC-GP22替代图2的FPGA或CPLD，并可以省掉AD转换电路。电路如图3所示。TDC-GP22为单通道发射，单通道接收的形式，发射端1可以主动发射方波脉冲信号，外围电路只需要将方波信号进行放大即可直接接入超声探头。由于超声探头为双接收形式，所以须将接收到的信号放大后，经过一个模拟开关，切换两个接收端的信号分别接入到GP22中，模拟开关的通断由MCU来控制。MCU发射的电平控制信号必须和GP22的发射信号和其处理周期相配合，在GP22发射脉冲信号后，等接收端A 2接收到超声信号并且等其通过一个运算周期后在切换开关电平切换到接收端B 3。GP22的接收端电路容易耦合到噪声。如果信噪比过小，GP22将无法识别到信号。因此必须设法降低接收电路的噪声。
超声骨密度仪测量桡骨、胫骨、指骨的原理如图1所示，超声探头的发射端1发出超声信号，信号经过人体皮肤软组织4和骨骼5中传输，由接收端A 2和接收端B 3接收超声信号。根据所测量得到的两接收端接收到的信号的时间能够算出超声波在骨骼5中的传输速度。
通常所用的超声信号处理方法是采用FPGA搭配MCU的硬件电路设计方法，如图2所示。FPGA发出信号后经过脉冲发生电路给到探头的发射端1，发射晶片发出超声信号，接收端A 2和接收端B 3接收到经过测量介质中传递过来的超声信号，由于超声信号经过介质传播后信号强度大幅度衰减，通常无法被ADC所识别，所以需经过放大后连接到ADC进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号后由FPGA进行信号处理。
本实用新型采用一种新型的硬件电路结构，如图3所示。其与通常采用FPGA或CPLD的电路结构的区别在于，去掉了AD转换芯片，增加了切换开关；FPGA或CPLD被TDC-GP22替代。切换开关由MCU来控制。
本实用新型采用TDC-GP22作为核心控制芯片，芯片带有FIRE_UP脉冲发生端口和STOP停止端口，芯片会自动运算STOP端口收到的信号与FIRE_UP发射脉冲之间的时间差。将FIRE_UP端口的信号进行放大直接接入超声探头的发射端1，探头的接收端A 2和接收端B 3经过模拟开关却换依次通过TDC-GP22的STOP端口，GP22会分别算出超声信号从发射端1到接收端A 2和发射端1到接收端B 3的走过的路程所用的时间。GP22通过SPI接口与MCU进行通信，通过单片机算出超声信号的走过人体骨骼5所用的时间，来判断人体骨骼5强度。电路结构图电路如图3所示。
TDC-GP22为单通道发射，单通道接收的形式，由于超声探头为双接收形式，所以须将接收到的信号放大后，经过一个模拟开关，切换两个接收端的信号分别接入到GP22中，模拟开关的通断由MCU来控制。MCU发射的电平控制信号先保持高电平不变，接收端A 2与TDC-GP22相连，GP22算出发射端1到接收端A 2之间超声信号走过的时间，这需要GP22走过一个运算周期，这个周期约为20ms，在这个时间段内，模拟开关的切换电平信号不能改变以免影响测量结果。一个周期测量结束后，MCU改变发射的电平控制信号为低，这时接收端B 3与TDC-GP22相连，再由单片机控制GP22进行下一个周期的发射和运算。具体时序控制如图4所示。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920097079.2
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:61(陕西)
授权编号:CN209712972U
授权时间:20191203
主分类号:A61B8/08
专利分类号:A61B8/08
范畴分类:申请人:咸阳康荣信数字超声系统有限公司
第一申请人:咸阳康荣信数字超声系统有限公司
申请人地址:712000 陕西省咸阳市秦都区渭阳路北社区渭阳西路70号偏转东区3-1栋（原一分厂厂房三、四层）
发明人:杜文扬;尤剑鸣
第一发明人:杜文扬
当前权利人:咸阳康荣信数字超声系统有限公司
代理人:汤东凤
代理机构:11350
代理机构编号:北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙) 11350
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计