CN114499555A - 一种通讯信号高压隔离模块及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种通讯信号高压隔离模块及装置，所述高压隔离模块包括绝缘隔离棒，所述绝缘隔离棒内设有多个贯穿两端的通道，每个所述通道内均设有一组相对设置的发光器件和光接收器件，各发光器件和光接收器件的引脚分别从对应通道的两端伸出，多个所述通道内的发光器件/光接收器件可设置在同侧或者异侧，所述绝缘隔离棒的长度满足相应的耐压需求。本发明提供的一种通讯信号高压隔离模块及装置，能够满足10kV及以上的高压隔离要求，确保医疗电气设备在高压冲击下的通讯质量，降低误码率，实现了高压冲击下通讯信号的稳定有效的传输，提高了产品的安规性能，并且成本低、可靠性高、稳定性好、灵活性好。

Description

一种通讯信号高压隔离模块及装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种通讯信号高压隔离模块及装置。

背景技术

随着电子技术的发展，通信作为信息交换功能越来越重要，在微处理器的实时控制和管理方面，采用多个微处理器组成的分级分布控制***中，各个微处理器之间的通讯一般都是在低电压下借助数字信号传递信息以及数据。

医疗电气设备为保证上市的安全有效，对产品的隔离电压要求达到10kV以上。常用的通信隔离设计的隔离电压在500-1500V之间，普通的高压隔离设计的隔离电压一般也在5000V以下，要想实现医疗电气设备隔离电压在10kV以上，必须从器件的设计上和原材料上重新考虑，并对高压通信隔离器件的稳定性、可靠性进行重新设计。

发明内容

本发明为解决现有技术中通信隔离器件无法满足医疗电气设备高压隔离要求的技术问题，提出了一种通讯信号高压隔离模块及装置，能够满足高压隔离要求，确保医疗电气设备在高压冲击下的通讯质量，降低误码率，实现了高压冲击下通讯信号的稳定有效的传输，提高了产品的安规性能。

本发明的技术方案：

一种通讯信号高压隔离模块，包括绝缘隔离棒，所述绝缘隔离棒内设有多个贯穿两端的通道，每个所述通道内均设有一组相对设置的发光器件和光接收器件，各发光器件和光接收器件的引脚分别从对应通道的两端伸出，多个所述通道内的发光器件/光接收器件可设置在同侧或者异侧，所述绝缘隔离棒的长度满足相应的耐压需求。

进一步地，所述绝缘隔离棒在长度方向上还设有固定孔，用于将所述绝缘隔离棒固定。

进一步地，所述绝缘隔离棒为黑色绝缘材料。

进一步地，每个所述通道内还设有导光管。

本发明的另一方面，提供一种装置，包括主机模块和从机模块，还包括如以上任意一项所述的高压隔离模块，所述主机模块和从机模块通过所述高压隔离模块进行隔离，所述主机模块与高压隔离模块各通道第一端伸出的引脚焊接，所述从机模块与高压隔离模块各通道第二端伸出的引脚焊接。

进一步地，所述从机模块还包括隔离电路板，所述隔离电路板的第一端与所述高压隔离模块各通道第二端伸出的引脚焊接，所述隔离电路板的第二端设有接插件。

进一步地，所述装置还包括主板，所述主板上配置所述主机模块，所述主板与所述高压隔离模块各通道第一端伸出的引脚焊接，所述绝缘隔离棒与所述隔离电路板垂直设置，且所述绝缘隔离棒与所述主板垂直设置。

进一步地，所述隔离电路板上接插件与焊接部的最小距离满足相应的耐压需求。

进一步地，所述主机模块、高压隔离模块和从机模块之间采用加密通讯协议。

进一步地，所述装置还包括串口通讯隔离电路，所述串口通讯隔离电路包括设置在所述绝缘隔离棒第一端且与主机模块电连接的第一发光器件和第二光接收器件，所述串口通讯隔离电路还包括设置在所述绝缘隔离棒第二端且与从机模块电连接的第一光接收器件和第二发光器件，所述主机模块还设有整形芯片U1对主机端接收信号整形，所述从机模块还设有整形芯片U2对从机端接收信号整形，所述主机模块和从机模块采用两路供电电路，两路所述供电电路通过变压器隔离。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明通过对绝缘隔离棒的长度设置即可实现10kV以上的高压数据通讯隔离，避免了医疗器械产品在进行安规耐压测试时对单片机通讯电路的损坏，并且，本实施例采用的高压隔离模块和高成本的专用隔离芯片相比，其结构简单、成本低、且耐压等级可灵活配置，可以达到很高。而且，本发明中的绝缘隔离棒内设有多个通道，可以根据不同的通信接口设置通道的数量即发光器件和光接收器件的组数，以及通过设置每个通道中发光器件和光接收器件的位置来设定各通道中信号的传输方向，如此可满足各种情况下的通讯需求。

附图说明

图1为本实施例的绝缘隔离棒的透视图；

图2为本实施例的高压隔离模块其中一个通道的剖面示意图；

图3为本实施例的隔离电路板的结构示意图；

图4为本实施例的隔离电路板和绝缘隔离棒的结构示意图；

图5为本实施例的隔离电路板、绝缘隔离棒和主板的结构分解示意图；

图6为本实施例的装置的***框图；

图7为本实施例的装置的信号传输示意图；

图8为本实施例的两路隔离电路的电路原理图；

图9为本实施例的两路供电电路的电路原理图；

图10为本实施例的另一实施方式中绝缘隔离棒的结构示意图。

其中，

高压隔离模块1，绝缘隔离棒11，通道111，固定孔112，发光器件12，光接收器件13；

主机模块2，主板21；

从机模块3，隔离电路板31，接插件311。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-9所示，本实施例提供一种通讯信号高压隔离模块1，该高压隔离模块1包括有绝缘隔离棒11，绝缘隔离棒11整体呈棒状，其内部在长度方向上设有多个贯穿两端的通道111，每个通道111内均设有一组相对设置的发光器件12和光接收器件13，各发光器件12和光接收器件13的引脚分别从对应通道111的两端伸出，具体地，如图2所示，发光器件12和光接收器件13分别固定在一通道111的两端，通道111内形成密闭空间，发光器件12可以为发光二极管，其管脚作为输入端，光接收器件13可以为光接收二极管，其管脚为输出端，当输入端加电信号时，发光器件12发光，光接收器件13由于光敏效应在光照后产生光电流，并由输出端输出；而当输入端没有电信号时，发光器件12不发光，光接收器件13不输出电流，即光接收器件13在发光器件12发光或不发光时分别输出不同的信号。如此实现了以光为媒介的电信号传输，而输入端和输出端在电气上是绝缘的，因此对输入和输出有良好的隔离作用。

进一步地，多个通道111内的发光器件12可以设置在同侧或者异侧，也就是说各通道111内的发光器件12可以均设置在绝缘隔离棒11的第一端或第二端；或者也可以是部分发光器件12设置在绝缘隔离棒11的第一端，另一部分设置在绝缘隔离棒11的第二端。同样，多个通道111内的光接收器件13也可以设置在同侧或者异侧，即各通道111内的光接收器件13可以均设置在绝缘隔离棒11的第一端或第二端；或者也可以是部分光接收器件13设置在绝缘隔离棒11的第一端，另一部分设置在绝缘隔离棒11的第二端。当然光接收器件13需与发光器件12对应设置，各发光器件12的位置确定，则各光接收器件13的位置也确定。

进一步地，绝缘隔离棒11的长度需满足相应的耐压需求，假设各通道111内发光器件12和光接收器件13之间为空气，则按照极不均匀电场在气体中击穿电压，平均击穿场强约为4.5kV/cm，绝缘隔离棒11的长度根据耐压需求设定特定的长度，如满足10kV以上的电压，需设计2.3cm以上的长度才能满足相应的耐压需求。当各通道111内发光器件12和光接收器件13之间为其他材质时可对应计算出合适的绝缘隔离棒11的长度。

这样，首先，本实施例通过对绝缘隔离棒11的长度设置即可实现10kV以上的高压数据通讯隔离，解决了单片机无隔离设置、或采用专用隔离芯片仍满足不了医疗器械的高耐压要求的问题，避免了医疗器械产品在进行安规耐压测试时对单片机通讯电路的损坏，并且，本实施例采用的高压隔离模块1和高成本的专用隔离芯片相比，其结构简单、成本低、且耐压等级可灵活配置，可以达到很高。其次，本实施例中绝缘隔离棒11内设有多个通道111，可以根据不同的通信接口设置通道111的数量即发光器件12和光接收器件13的组数，以及通过设置每个通道111中发光器件12和光接收器件13的位置来设定各通道111中信号的传输方向，如此可满足各种情况下的通讯需求。

优选地，如图1所示，本实施例中绝缘隔离棒11在长度方向上还设有固定孔112，用于与螺钉配合将绝缘隔离棒11固定。具体地，固定孔112设置在绝缘隔离棒11的中心位置，而各通道111则间隔均匀地设置在固定孔112的外圆周方向上。该高压隔离模块1在使用时需要将其两端伸出的引脚与其他模块焊接，仅通过焊接无法有效固定该高压隔离模块1，尤其是在绝缘隔离棒11长度较长时，而且还存在导致焊接处脱落的风险，因此本实施例通过在绝缘隔离棒11中设置固定孔112来将高压隔离模块1与其他模块固定，从而更好地固定住高压隔离模块1，并且可保证焊接处长期有效的电连接，提升安全性。此外，本实施例中固定孔112是沿绝缘隔离棒11的长度方向设置，也就是说绝缘隔离棒11可以竖向安装，与其他模块的电路板垂直设置，这样在需要改变耐压等级时，直接改变绝缘隔离棒11的长度即可，而无需对电路板进行改变，而现有技术中的器件均是横向安装的，在根据耐压等级改变器件时必然要对电路板上的引脚焊点间距等做对应调整，因此本实施例的高压隔离模块1相较于现有技术，其灵活性和适应性更好。

优选地，本实施例的绝缘隔离棒11为黑色绝缘材料，可以确保发光器件12发出的光沿通道111传输时不会漏光，而且不同通道111的发光器件12发出的光不会相互干扰。优选地，每个通道111内还设有导光管(图中未示出)，使得发光器件12的光顺着导光管传输至对应的光接收器件13，提高光的传输效率。

本实施例还提供一种用于医疗器械设备的装置，如图6-7所示，该装置包括主机模块2和从机模块3，主机模块2和从机模块3可以相互发送数据，主机模块2主要是发送数据，从机模块3主要是反馈数据，此外还包括上述的高压隔离模块1，主机模块2和从机模块3通过高压隔离模块1进行隔离。主机模块2与高压隔离模块1中各通道111第一端伸出的引脚焊接，从机模块3与高压隔离模块1中各通道111第二端伸出的引脚焊接。由于数字信号电路无法承受10kV级以上的电压，这种干扰可以被回路电路引入数字通讯接口并流过整个电路，导致电路器件的损坏，本实施例通过上述高压隔离模块1进行隔离，保证通讯稳定传输的同时提升电路的安全性。

进一步地，如图3-5所示，本实施例的从机模块3还包括隔离电路板31，隔离电路板31的第一端与高压隔离模块1各通道111第二端伸出的引脚焊接，隔离电路板31的第二端设有接插件311，通过接插件311便于与后续从机模块3的主控电路连接。进一步地，该装置还包括有主板21，在主板21上配置有主机模块2，主板21与高压隔离模块1各通道111第一端伸出的引脚焊接，如此实现主机模块2、高压隔离模块1、从机模块3的连接。优选地，绝缘隔离棒11与隔离电路板31垂直设置，且绝缘隔离棒11与主板21垂直设置，这样，正如以上所述，将高压隔离模块1竖向安装，具有较好的灵活性和适应性。

为了节省空间和成本，从机模块3的主控电路也可以设置在上述主板21上，即隔离电路板31上的接插件311也与主板21上的对应部分焊接，如图5，该种情况下，耐压冲击可能会选择从绝缘隔离棒11的第一端即其下端引脚至隔离电路板31上的接插件311下端这一段路径(当该路径小于绝缘隔离棒11的长度时)，此时如果该路径不够长，仍存在击穿风险，仍然无法满足10kV的耐压需求，而这一路径的长度和隔离电路板31上接插件311与焊接部(即隔离电路板31上与各通道111第二端焊接的部位)的距离相等，因此设置隔离电路板31上的接插件311与焊接部的最小水平距离满足相应的耐压需求，如在10kV时设置该距离在2.3cm以上。如此可确保耐压冲击选择任意路径时，均不会发生击穿，均能满足耐压需求。

优选地，本实施例中主机模块2、高压隔离模块1和从机模块3之间采用自定义的通讯协议，可以进行通讯加密，而主机模块2前端和从机模块3后端的发送或者接收可以采用标准的通讯协议，如此可以提升可靠性和安全性，并且由于仅在高压隔离模块1部分进行加密，相对来说，减少了等待时间，速度更快。

进一步地，该装置还包括串口通讯隔离电路，串口通讯隔离电路包括设置在绝缘隔离棒11第一端且与主机模块2电连接的第一发光器件和第二光接收器件，串口通讯隔离电路还包括设置在绝缘隔离棒11第二端且与从机模块3电连接的第一光接收器件和第二发光器件，主机模块2还设有整形芯片U1对主机端接收信号整形，从机模块3还设有整形芯片U2对从机端接收信号整形，通过整形确保发送信号和接收信号波形一致，确保主机和从机信号能准确识别。也就是说，本实施例的采用高压隔离模块1的装置不仅可以进行简单的单向信号传输，还可进行串口通讯。

以五个通道111的绝缘隔离棒11为例，如图8所示，该装置包括有主机端隔离电路和从机端隔离电路，主机端隔离电路和从机端隔离电路的通讯通道一一对应。具体地，主机端隔离电路包括五个器件，分别为LED1、LED3、LED5、LED7和LED9，分别设置在绝缘隔离棒11五个通道111的第一端，从机端隔离电路也包括五个器件，分别为LED2、LED4、LED6、LED8和LED10，分别设置在绝缘隔离棒11五个通道111的第二端。其中，LED1与LED2对应、LED3与LED4对应、LED5与LED6对应，形成三组I/O电平信号，LED1、LED3、LED6发送信号，LED2、LED4、LED5接收信号，当然其他实施例中各器件也可根据需要任意配置为发送或接收。LED7和LED8对应，LED9和LED10对应，LED9即为上述第一发光器件，LED10即为上述第一光接收器件，LED8即为上述第二发光器件，LED7即为上述第二光接收器件，形成一组TTL串口隔离通讯信号，主机端隔离电路还包括整形芯片U1，从机端隔离电路还包括整形芯片U2，工作时，主机模块2通过LED9发送信号，LED10接收信号后经过整形芯片U2整形后反馈给从机模块3的主控芯片MCU1，从机模块3通过LED8发送信号，LED7接收信号后经过整形芯片U1整形后反馈给主机模块2的主控芯片MCU2。

主机端隔离电路中除上述LED1、LED3、LED5、LED7和LED9五个器件外，其余器件均设置在主板21上，各信号接收端/发送端与主机模块2的主控芯片MCU1连接；从机端隔离电路中器件均设置在隔离电路板31上，各信号发送端/接收端通过接插件311与从机模块3的主控芯片MCU2连接。在主机端隔离电路中还包括限流电阻R2、R3、R5、R8、R10，从机端隔离电路中还包括限流电阻R1、R7、R4、R6、R13，这些限流电阻根据供电电压和发光器件12/光接收器件13的最佳工作状态进行选用配置。

本实施例还包括供电***的隔离，具体地，如图9所示，本实施例中主机模块2和从机模块3采用两路供电电路，两路供电电路通过变压器T1隔离，变压器T1左边给主机模块2供电，变压器T1右边给从机模块3供电，实现主机模块2和从机模块3的供电隔离。具体地，该变压器T1左侧采用芯片AT8870提供需要的电源，右侧两个输出端均各连接有两个二极管，方便接线且不会出错，本实施例中变压器T1也采用对应耐压等级下的高压隔离变压器，以满足耐压需求。这样，主机模块2和从机模块3实现完全的电隔离，确保意外的电气损坏不会对操作者和使用者产生危险。

作为本实施例的另一实施方式，绝缘隔离棒11内通道111数量可根据实际通讯需求任意设置，如图10所示，该绝缘隔离棒11内设有12个通道111，该绝缘隔离棒11的中间部分为固定孔112，固定孔112外周形成两圈通道111分别容置发光器件12和光接收器件13。

由上述内容可知，本实施例提供的一种通讯信号高压隔离模块及装置，能够满足高压隔离要求，确保如带有高频电刀等高压器材的医疗电气设备在高压冲击下的通讯质量，降低误码率，实现了高压冲击下通讯信号的稳定有效的传输，提高了产品的安规性能，并且成本低、可靠性高、稳定好、灵活性好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通讯信号高压隔离模块，其特征在于，包括绝缘隔离棒(11)，所述绝缘隔离棒(11)内设有多个贯穿两端的通道(111)，每个所述通道(111)内均设有一组相对设置的发光器件(12)和光接收器件(13)，各发光器件(12)和光接收器件(13)的引脚分别从对应通道(111)的两端伸出，多个所述通道(111)内的发光器件(12)/光接收器件(13)可设置在同侧或者异侧，所述绝缘隔离棒(11)的长度满足相应的耐压需求。

2.根据权利要求1所述的通讯信号高压隔离模块，其特征在于，所述绝缘隔离棒(11)在长度方向上还设有固定孔(112)，用于将所述绝缘隔离棒(11)固定。

3.根据权利要求1所述的通讯信号高压隔离模块，其特征在于，所述绝缘隔离棒(11)为黑色绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的通讯信号高压隔离模块，其特征在于，每个所述通道(111)内还设有导光管。

5.一种装置，包括主机模块(2)和从机模块(3)，其特征在于，还包括如权利要求1-4任意一项所述的高压隔离模块，所述主机模块(2)和从机模块(3)通过所述高压隔离模块进行隔离，所述主机模块(2)与高压隔离模块各通道(111)第一端伸出的引脚焊接，所述从机模块(3)与高压隔离模块各通道(111)第二端伸出的引脚焊接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述从机模块(3)还包括隔离电路板(31)，所述隔离电路板(31)的第一端与所述高压隔离模块各通道(111)第二端伸出的引脚焊接，所述隔离电路板(31)的第二端设有接插件(311)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括主板(21)，所述主板(21)上配置所述主机模块(2)，所述主板(21)与所述高压隔离模块各通道(111)第一端伸出的引脚焊接，所述绝缘隔离棒(11)与所述隔离电路板(31)垂直设置，且所述绝缘隔离棒(11)与所述主板(21)垂直设置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述隔离电路板(31)上接插件(311)与焊接部的最小距离满足相应的耐压需求。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述主机模块(2)、高压隔离模块和从机模块(3)之间采用加密通讯协议。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括串口通讯隔离电路，所述串口通讯隔离电路包括设置在所述绝缘隔离棒(11)第一端且与主机模块(2)电连接的第一发光器件和第二光接收器件，所述串口通讯隔离电路还包括设置在所述绝缘隔离棒(11)第二端且与从机模块(3)电连接的第一光接收器件和第二发光器件，所述主机模块(2)还设有整形芯片U1对主机端接收信号整形，所述从机模块(3)还设有整形芯片U2对从机端接收信号整形，所述主机模块(2)和从机模块(3)采用两路供电电路，两路所述供电电路通过变压器隔离。

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