一种带高精度时钟的内窥镜陀螺仪姿态采集子板电路的制作方法

本技术涉及一种带高精度时钟的内窥镜陀螺仪姿态采集子板电路。

背景技术：

1、医用内窥镜、关节镜的姿态采集子板电路，用于实时采集探头三轴角速度、三轴加速度姿态数据，并通过标准化接口上传至主机 soc，为整机图像防抖、姿态校正、角度定位算法提供精准原始数据支撑。

2、现有医用电子内窥镜内置姿态采集子板电路设计粗放，普遍存在电源混供、噪声串扰严重、姿态数据温漂大、防抖角度采样不准的问题，无法适配手术室高频电刀、监护仪叠加的强电磁工况。

3、传统内窥镜陀螺仪子板采用单路3.3v统一供电，探头前端图像差分电路、红外辅助电路、陀螺仪传感电路共用一路电源，高速图像开关纹波、红外启闭电流波动会直接耦合至六轴传感芯片内部，极易造成角速度采样偏移、画面防抖反向漂移、角度归零失效，芯片采用内部rc振荡时钟，无外部高精度晶振，温漂误差大，高低温环境下数据稳定性差，通讯接口零散、无标准化对接插座，装配繁琐、故障率高，无探头在位检测机制，陀螺仪长期空载通电，无效功耗高、器件老化快，即传统内窥镜陀螺仪子板存在的缺陷总结如下：

4、1、电源混供干扰严重：前端图像高速电路、红外采样电路与陀螺仪共用电源，电源纹波互相串扰，内窥镜术中姿态采样漂移、防抖卡顿、角度数据跳变；

5、2. 时钟精度不足，温漂误差大：依靠芯片内部rc时钟工作，时钟频率稳定性差，受温度影响极大，长时间工作后角速度、加速度采样偏移严重，影响图像防抖效果；

6、3. 通讯对接不规范，可靠性低：无专用集成对接插座，信号线分散引出，装配工艺繁琐，振动、插拔场景下易出现虚接、断线故障；

7、4. 无智能启停机制，能耗高、寿命短：缺少探头在位检测电路，设备开机后陀螺仪持续通电工作，探头空载状态下无效耗电高，加速器件老化，降低设备使用寿命。

8、基于以上行业痛点，如何克服上述技术缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种带高精度时钟的内窥镜陀螺仪姿态采集子板电路，以解决上述技术问题中的至少一个。

2、根据本实用新型的一个方面，提供了一种带高精度时钟的内窥镜陀螺仪姿态采集子板电路，包括：

3、第一路稳压电源模块，第一路稳压电源模块通过板载连接器j2给探头前端图像差分电路供电；

4、第二路稳压电源模块，第二路稳压电源模块为连接器p1上的xshutdn休眠控制引脚提供上拉电压；

5、第三路稳压电源模块，第三路稳压电源模块分别通过板载连接器j2、连接器p1对外输出以用于内窥镜前端红外led驱动以及外设电路供电；

6、姿态传感模块，姿态传感模块由上位主板的3.3v主电源供电；和

7、24mhz外部时钟振荡模块，第二路稳压电源模块为24mhz外部时钟振荡模块供电，24mhz外部时钟振荡模块通过连接器 p1与姿态传感模块连接。

8、本实用新型的带高精度时钟的内窥镜陀螺仪姿态采集子板电路，姿态传感模块独立使用纯净的上位主板的3.3v主电源供电，自成隔离电源域，第一路稳压电源模块、第二路稳压电源模块、第三路稳压电源模块三路低压电源全部对外输出，供探头前端图像差分电路、连接器p1上的xshutdn休眠控制引脚、内窥镜前端红外led驱动以及外设电路使用，三路低压电源与姿态传感模块无任何电气连接，实现外设负载与姿态传感模块的电源完全隔离降噪，同时，24mhz外部时钟振荡模块为姿态传感模块提供外部硬件基准时钟，相比姿态传感模块内部的rc振荡时钟，外部晶振时钟频率精度更高、温漂更小、稳定性更强，可有效抑制高低温环境下的采样误差，保证整机长时间工作时姿态数据不漂移、不偏移，为图像防抖算法提供精准时序与数据支撑。

9、在一些实施方式中，姿态传感模块可以包括陀螺仪传感芯片u4、电源滤波器件、i2c总线匹配器件、供电限流电阻以及预留上拉电阻位；

10、陀螺仪传感芯片u4设置有独立的内核供电引脚vdd与io供电引脚vddio，内核供电引脚vdd由上位主板的3.3v主电源供电，io供电引脚vddio由第二路稳压电源模块输出供电；

11、供电限流电阻分别串联于陀螺仪传感芯片u4的内核供电回路、io供电回路上以限制供电回路电流；

12、电源滤波器件分别对应连接在陀螺仪传感芯片u4的内核供电引脚vdd、io供电引脚vddio与地之间以滤除两路供电电压中的高频纹波干扰；

13、i2c总线匹配器件分别电性连接至陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚以实现总线电平上拉与信号阻抗匹配，并将通信信号引出至外部连接器完成数据交互；

14、预留上拉电阻位分别设置于i2c通信信号线与第二路稳压电源模块的输出电源之间以用于电压域兼容配置。

15、由此，陀螺仪传感芯片u4的内核供电引脚vdd独立使用纯净的上位主板的3.3v主电源供电，自成隔离电源域，实现陀螺仪传感芯片u4与外设负载的电源完全隔离降噪，供电限流电阻可以限制陀螺仪传感芯片u4的内核供电回路、io供电回路上的供电回路电流，电源滤波器件可以滤除供电电压中的高频纹波干扰，i2c总线匹配器件可以实现总线电平上拉与信号阻抗匹配并将通信信号引出至外部连接器以完成数据交互，预留上拉电阻位可以用于电压域兼容配置。

16、在一些实施方式中，供电限流电阻可以包括内核供电电阻r9和io供电限流电阻r6，电源滤波器件可以包括第一电源滤波电容c7和第二电源滤波电容c9；

17、陀螺仪传感芯片u4的内核供电引脚vdd经由内核供电电阻r9接入上位主板的3.3v主电源，第一电源滤波电容c7的一端与陀螺仪传感芯片u4的内核供电引脚vdd连接，第一电源滤波电容c7的另一端接地；

18、陀螺仪传感芯u4的io供电引脚vddio经由io供电限流电阻r6接入第二路稳压电源模块的输出端，第二电源滤波电容c9的一端与陀螺仪传感芯片u4的io供电引脚vddio连接，第二电源滤波电容c9的另一端接地。

19、由此，内核供电电阻r9和io供电限流电阻r6可以限制陀螺仪传感芯片u4的内核供电回路、io供电回路上的供电回路电流，第一电源滤波电容c7和第二电源滤波电容c9可以滤除供电电压中的高频纹波干扰。

20、在一些实施方式中，i2c总线匹配器件可以包括第一i2c总线上拉电阻r2、第二i2c总线上拉电阻r4、第一信号匹配电阻r11和第二信号匹配电阻r13，预留上拉电阻位可以包括r3和r5；

21、第一i2c总线上拉电阻r2、第二i2c总线上拉电阻r4的一端均接入上位主板的3.3v主电源，另一端分别电性连接陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚sdx、scx以实现i2c总线电平上拉；

22、r3、r5分别对应设置在i2c通信信号线与1.8v电源之间以用于i2c总线1.8v电压域上拉的兼容拓展；

23、第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13分别串联于陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚sdx、scx的信号输出线路上，i2c通信信号经由第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13引出至连接器p1以实现陀螺仪传感芯片u4与上位主板之间的数据交互。

24、由此，设置在上位主板的3.3v主电源与陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚sdx、scx之间的第一i2c总线上拉电阻r2、第二i2c总线上拉电阻r4可以用于电压域兼容配置，陀螺仪传感芯片u4的i2c通信信号可以经由第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13引出至连接器p1，从而实现陀螺仪传感芯片u4与上位主板之间的数据交互。

25、在一些实施方式中，姿态传感模块可以包括陀螺仪传感芯片u4、第一电源滤波电容c7、第二电源滤波电容c9、第一i2c总线上拉电阻r2、第二i2c总线上拉电阻r4、第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13、io供电限流电阻r6和内核供电限流电阻r9；

26、陀螺仪传感芯片u4的内核供电引脚vdd经由内核供电限流电阻r9接入上位主板的3.3v主电源，第一电源滤波电容c7的一端与陀螺仪传感芯片u4的内核供电引脚vdd连接，第一电源滤波电容c7的另一端接地；

27、陀螺仪传感芯片u4的io供电引脚vddio经由io供电限流电阻r6接入第二路稳压电源模块的输出端，第二电源滤波电容c9的一端与陀螺仪传感芯片u4的io供电引脚vddio连接，第二电源滤波电容c9的另一端接地；

28、第一i2c总线上拉电阻r2、第二i2c总线上拉电阻r4的一端分别接入上位主板的3.3v主电源，另一端分别电性连接陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚sdx、scx；

29、第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13分别串联于陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚 sdx、scx 的信号输出线路上，i2c通信信号经第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13引出至连接器p1以实现陀螺仪传感芯片u4与上位主板的数据交互。

30、由此，内核供电电阻r9和io供电限流电阻r6可以限制陀螺仪传感芯片u4的内核供电回路、io供电回路上的供电回路电流，第一电源滤波电容c7和第二电源滤波电容c9可以滤除供电电压中的高频纹波干扰，设置在上位主板的3.3v主电源与陀螺仪传感芯片u4的i2c通信引脚sdx、scx之间的第一i2c总线上拉电阻r2、第二i2c总线上拉电阻r4可以用于电压域兼容配置，陀螺仪传感芯片u4的i2c通信信号可以经由第一信号匹配电阻r11、第二信号匹配电阻r13引出至连接器p1，从而实现陀螺仪传感芯片u4与上位主板之间的数据交互。

31、在一些实施方式中，姿态传感模块的中断输出引脚int1和int2可以分别经1.8v上拉以承载数据中断链路，

32、连接器p1采用bm23fr0.6-24dp-0.35v，连接器p1的xshutdn引脚通过10k电阻上拉至1.8v并与1μf滤波电容组成rc稳定回路。

33、由此，int1和int2承载数据中断链路，双路中断信号经1.8v上拉，姿态数据采集完成、数据就绪时，姿态传感模块主动触发中断电平，通知上位主板及时读取数据，避免数据堆积、丢失、延迟，保障姿态采样实时性，bm23fr0.6-24dp-0.35v连接器，具有超薄小型化、两点接触端子、金属导向防插错、防爬锡结构、高机械强度的优势，电路预留xshutdn硬件休眠控制引脚，搭配10k上拉电阻与1μf滤波电容组成rc稳定回路，可以实现陀螺仪硬件级启停可控，是设备低功耗、高稳定性运行的关键控制单元。

34、在一些实施方式中，连接器p1可以为子板对外信号交互连接器，连接器p1包括电源引脚组、图像差分信号引脚组、i2c通信引脚组、休眠控制引脚、红外led 驱动引脚组和时钟信号引脚；

35、电源引脚组分别与第一路稳压电源模块、第二路稳压电源模块、第三路稳压电源模块电性连接，并向外输出多路工作电压以及提供参考地电位；

36、图像差分信号引脚组用于传输内窥镜探头前端图像差分数据；

37、i2c通信引脚组与姿态传感模块电性连接以实现陀螺仪姿态数据双向交互；

38、休眠控制引脚由第二路稳压电源模块供电以配套上拉、滤波器件完成硬件休眠控制；

39、红外led驱动引脚组与第三路稳压电源模块电性连接以输出红外补光灯驱动信号；

40、时钟信号引脚与24mhz外部时钟振荡模块相连以向姿态传感模块传输高精度参考时钟。

41、由此，连接器p1通过电源引脚组可以与第一路稳压电源模块、第二路稳压电源模块、第三路稳压电源模块电性连接，并向外输出多路工作电压以及提供参考地电位，连接器p1通过图像差分信号引脚组可以传输内窥镜探头前端图像差分数据，连接器p1通过i2c通信引脚组可以与姿态传感模块电性连接以实现陀螺仪姿态数据双向交互，连接器p1通过休眠控制引脚可以完成硬件休眠控制，连接器p1通过红外led 驱动引脚组可以输出红外补光灯驱动信号，连接器p1通过时钟信号引脚可以向姿态传感模块传输高精度参考时钟。

42、在一些实施方式中，还可以包括8引脚的板载连接器j1和9引脚的板载连接器j2，连接器p1通过板载连接器j1、板载连接器j2与上位主板上的集成插座对接，

43、板载连接器j2上的四个引脚分别与1.2v、1.8v、2.8v、3.3v四路稳压电源连接，24mhz外部时钟振荡模块的mck引脚与板载连接器j2上的一个引脚连接。

44、由此，配置板载连接器j1、j2两组集成接插件，实现与上位主板上的集成插座的标准化快速对接，板载连接器j1可以集成sda/scl i2c通讯信号、dack差分信号，板载连接器j2可以集成1.2v、1.8v、2.8v、3.3v四路稳压电源、mck系统时钟信号，保障时钟同步、接地屏蔽稳定，降低信号干扰，板载连接器j1、j2可以汇总电路的所有电源、时钟、通讯，布线规整、装配便捷、稳定性高，实现通讯、探头在位检测信号一体化对接。

45、在一些实施方式中，板载连接器j2上的两个引脚与上位主板的冷光源驱动电路连接，

46、当探头正常插入医用冷光源设备时，遮挡医用冷光源设备中的红外光路，上位主板识别探头在位，自动开启陀螺仪供电与数据采集功能，

47、当探头拔出后，医用冷光源设备中的红外光路导通，上位主板关闭陀螺仪工作电源，停止数据采集。

48、由此，板载连接器j2上的两个引脚可以与上位主板的冷光源驱动电路联动，实现探头智能识别启停，实现空载断电节能、延长器件寿命。

49、在一些实施方式中，第一路稳压电源模块可以包括me6206-2.8v稳压器u1、1μf的电容c1和1μf的电容c2，上位主板的3.3v主电源经电容c1输入滤波后送入me6206-2.8v的vin引脚，me6206-2.8v的vout引脚经由电容c2二次滤波后输出2.8v电压，

50、第二路稳压电源模块可以包括me6206-1.8v稳压器u2、1μf的电容c3和1μf的电容c4，上位主板的3.3v主电源经电容c3输入滤波后送入me6206-1.8v的vin引脚，me6206-1.8v的vout引脚经由电容c4二次滤波后输出1.8v电压，

51、第三路稳压电源模块可以包括me6206-1.2v稳压器u3、1μf的电容c5和1μf的电容c6，上位主板的3.3v主电源经电容c5输入滤波后送入me6206-1.2v的vin引脚，me6206-1.2v的vout引脚经由电容c6二次滤波后输出1.2v电压。

52、由此，本实用新型的内窥镜陀螺仪姿态采集子板电路接入上位主板的3.3v系统电压，搭载高精度线性ldo芯片me6206-2.8v稳压器u1，稳压生成2.8v独立低压电源，me6206-2.8v稳压器u1的输入、输出端均配置1μf的陶瓷滤波电容，抑制电源高频纹波，外设2.8v供电域与姿态传感模块的3.3v供电域电气完全隔离，电源互不耦合串扰，解决术中姿态漂移、防抖反向偏移、数据跳变问题，适配手术室高频电磁复杂工况，搭载高精度线性ldo芯片me6206-1.8v稳压器u2，稳压生成1.8v独立低压电源，me6206-1.8v稳压器u2的输入、输出端均配置1μf的陶瓷滤波电容，抑制电源高频纹波，外设1.8v供电域与姿态传感模块的3.3v供电域电气完全隔离，电源互不耦合串扰，解决术中姿态漂移、防抖反向偏移、数据跳变问题，适配手术室高频电磁复杂工况，搭载高精度线性ldo芯片me6206-1.2v稳压器u3，稳压生成1.2v独立低压电源，me6206-1.2v稳压器u3的输入、输出端均配置1μf的陶瓷滤波电容，抑制电源高频纹波，外设1.2v供电域与姿态传感模块的3.3v供电域电气完全隔离，电源互不耦合串扰，解决术中姿态漂移、防抖反向偏移、数据跳变问题，适配手术室高频电磁复杂工况。