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心臟除顫器測(cè)試分析儀的電磁兼容設(shè)計(jì)
摘要：分析了除顫器測(cè)試分析儀的主要干擾源及其特點(diǎn)，并討論了抑制干擾的主要措施。經(jīng)測(cè)試分析，證明儀器具有良好的電磁兼容性。關(guān)鍵詞：心臟除顫器 電磁兼容 EMI濾波器
除顫器是利用瞬間釋放的高能量脈沖電流，通過(guò)短暫的電擊去除心臟的室顫（VF）或房顫（AF），并使其恢復(fù)正常心律的種有效的醫(yī)療救護(hù)儀器。顯然，除顫器的性能優(yōu)劣將直接關(guān)系到臨床急救的效果。作者研制的心臟除顫器測(cè)試分析儀，可對(duì)除顫器的各功能參數(shù)，包括放電能量、最大電流及電壓，同步觸發(fā)延遲時(shí)間、除顫器放電時(shí)間等進(jìn)行校準(zhǔn)檢驗(yàn)，且能模擬人體輸出多種心率、多種導(dǎo)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)心電波形以及檢定除顫器性能的特定波形，并兼有檢測(cè)與心電信號(hào)同步的除顫放電功能。
在除顫器測(cè)試分析儀的研制過(guò)程中，針對(duì)出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象，分析了干擾現(xiàn)象，分析了干擾產(chǎn)生的原因及干擾的特點(diǎn)，采取了一些抗干擾措施，通過(guò)應(yīng)用EMI（電磁干擾）濾波器，去除了放電脈沖在儀器內(nèi)部所產(chǎn)生的強(qiáng)烈干擾，使除顫器測(cè)試分析儀工作穩(wěn)定可靠，具有良好的電磁兼容性。
圖1 儀器電路原理框圖
1 系統(tǒng)的基本原理及干擾特點(diǎn)
本儀器以飛利浦單片機(jī)80C52為控制核心，完成對(duì)除顫器各項(xiàng)功能的測(cè)試分析，并通過(guò)接口電路對(duì)分析結(jié)果分析顯示和傳輸，原理框圖如圖1所示。除顫器測(cè)試分析儀主要完成兩部分功能：（1）完成對(duì)除顫器放電能量的準(zhǔn)確測(cè)量；（2）準(zhǔn)確、穩(wěn)定地輸出各種心電波形及測(cè)試波形。為檢驗(yàn)除顫器的自動(dòng)除顫功能及其特性參數(shù)要求分析儀能輸出多種波形，包括具有多種導(dǎo)聯(lián)輸出的ECG（心電圖）波且幅值可調(diào)，同時(shí)輸出高幅值ECG信號(hào)、直流脈沖、方波、三角波、復(fù)合波、多種頻率的正弦濾以及多種心律的標(biāo)準(zhǔn)R波。各種波形的輸出通過(guò)數(shù)字合成，由程序產(chǎn)生的波形經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出，然后通過(guò)模擬電路變換成要求的輸出模式。放電能量的檢測(cè)是基于除顫器的高壓放電脈沖通過(guò)模擬人體阻抗的模擬電阻（典型阻值為50Ω）放電，經(jīng)衰減后送入可變?cè)鲆娣糯笃�，變�(yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)，然后進(jìn)行處理和顯示。
根據(jù)對(duì)儀器的要求，除完成各項(xiàng)功能外，在對(duì)除顫器的放電進(jìn)行測(cè)試時(shí)，必須能夠承受由放電脈沖帶來(lái)的強(qiáng)烈干擾，不死機(jī)、不復(fù)位，在不采用干擾避開(kāi)法、系統(tǒng)智能復(fù)位法等措施時(shí)，程序仍能正常執(zhí)行。同時(shí)，由于儀器必須具有恢復(fù)放電脈沖波形的功能，測(cè)量模擬通道不能對(duì)放電信號(hào)采用濾波、浪涌阻尼等措施。這就對(duì)儀器的抗干擾性能提出了更高的要求。
系統(tǒng)的干擾源一部分是儀器內(nèi)部數(shù)字電路、供電電源所產(chǎn)生的干擾以及儀器外部空間輻射電磁波干擾；另一部分干擾來(lái)自除顫器的放電脈沖。其干擾具如下特點(diǎn)：
（1）電壓峰值高、能量大，最高電壓可達(dá)5000V，最大放電能量可達(dá)360J；(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)
（2）放電時(shí)間短，除顫器放電脈沖時(shí)間僅為10ms左右，脈沖前沿時(shí)間約為2ms；
（3）放電波形復(fù)雜，對(duì)不同型號(hào)的除顫器，放電脈沖的形狀不同，有單向指數(shù)衰減型、雙向指數(shù)衰減型、單向截止型及雙向截止型等；
（4）干擾直接進(jìn)入儀器內(nèi)部。由于本儀器是便攜式儀器，模擬人體的50Ω電阻置入儀器內(nèi)，因此干擾產(chǎn)生于儀器內(nèi)部；
（5）干擾復(fù)雜。由于模擬人體的50Ω電阻所需功率大（該電阻一般為繞線電阻），此電阻存在較大的分布電感及分布電容，放電脈沖經(jīng)該電阻必然產(chǎn)生較強(qiáng)的復(fù)雜干擾。
2 抗干擾設(shè)計(jì)及EMI濾波器的選用
干擾源產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)一般通過(guò)電容的靜電耦合、電感的磁耦合、公共阻擾的地電源耦合、電磁輻射感應(yīng)耦合等途徑傳播到被干擾的對(duì)象。由于強(qiáng)烈干擾源與測(cè)量控制電路置于同一機(jī)箱內(nèi)，彼此相距很近，故電磁干擾傳播要為近場(chǎng)感應(yīng)，即電容耦合、磁耦合。此外，公共阻抗耦合也是傳遞干擾的重要途徑，因此除了采用常用的軟件抗干擾措施（如空指令的使用、數(shù)字濾波等）外，還從以下幾方面進(jìn)行整機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)，以解決干擾問(wèn)題。
2.1 抑制干擾源
為有效降低干擾源的干擾，模擬人體的50Ω大功率電阻采用無(wú)感電阻，在布線時(shí)充分注意減少由引線帶來(lái)的寄生電抗參數(shù)、合理分配放電采樣電阻的空間位置等，特別注意大電流通路的焊接質(zhì)量，以防接觸不良引起火花放電造成更強(qiáng)干擾；選用低頻率電路芯片可有效地降低噪聲，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
2.2 關(guān)于屏蔽層的設(shè)計(jì)
采用屏蔽的目的是為了在干擾的環(huán)境條件下保證系統(tǒng)信號(hào)傳輸性能。這種抗干擾措施可屏屏外來(lái)干擾，也可減少本身向外輻射能量。衡量器件傳輸性能的指標(biāo)是ACR值（衰減/串?dāng)_比）。非屏蔽線在ACR值符合要求的條件下，其傳輸帶寬和傳輸速率可以大大高于標(biāo)準(zhǔn)帶寬和標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率。但是當(dāng)信號(hào)以很高的速率在線路中傳輸時(shí)，由于受到外界的電磁干擾以及自身內(nèi)部的串?dāng)_，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，降低系統(tǒng)的性能。所以系統(tǒng)中采用較低的速率傳輸數(shù)據(jù)，以增加系統(tǒng)的可靠性和安全性。
為了有效減少外界的電磁干擾，可以采用屏蔽措施。屏蔽分靜電屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽，靜電屏蔽要求可靠地接地。實(shí)際的屏蔽系統(tǒng)存在著一些必須注意的問(wèn)題，如接地方式、接地導(dǎo)線以及屏蔽的完整等。應(yīng)慎重選用屏蔽電纜，因?yàn)槠帘尾坏珪?huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)牟黄胶�，而且�?huì)改變電纜的電容耦合，從而衰減增加，降低信號(hào)輸出端的平衡性。同時(shí)考慮到干擾源與測(cè)量控制電路在同一儀器內(nèi)，距離很近，若內(nèi)部用屏蔽層，且屏蔽未良好地連接時(shí)，增加的電容效應(yīng)將非常明顯。在于以上考慮，在系統(tǒng)內(nèi)部放電電阻與線路板及連接電纜之間，不采用屏蔽措施。但是對(duì)于塑料機(jī)殼的屏蔽必須仔細(xì)考慮，為降低外界電磁干擾，采用噴涂金屬屏蔽層，同時(shí)要求涂層達(dá)到一定的厚度且對(duì)縫隙、孔洞進(jìn)行泄露處理，特別注意可靠地接地。
2.3 抑制干擾的耦合通道及提高敏感電路的抗干擾措施
為了便于儀器安裝及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，結(jié)合上述關(guān)于屏蔽與非屏蔽的分析，儀器內(nèi)部不采用屏蔽措施。為了解決干擾問(wèn)題，除了采取軟件及常用硬件抗干擾措施外，還采用多層線路板及EMI濾波器來(lái)增加儀器的抗干擾能力。
（1）基于電路原理，放電能量檢測(cè)電路采用差分有源衰減電路，使放電脈沖取樣電阻浮置，減少通過(guò)公共阻抗的電耦合傳遞的干擾。衰減電阻網(wǎng)絡(luò)采用多個(gè)精密金屬膜電阻，以提高衰減比例精度及減少電抗分布參數(shù)。
（2）線路板設(shè)計(jì)采用多層線路板，減小電磁干擾。合理安排器件分布，將信號(hào)采集及預(yù)處理部分、波形產(chǎn)生部分等與數(shù)字信號(hào)部分（如單片機(jī)控制單元、存儲(chǔ)器、擴(kuò)展I/O口等）從空間上隔離開(kāi)。此外，將電源產(chǎn)生部分集中在一個(gè)區(qū)域，使線路板平面盡量靠近儀器底板（底板為儀器外殼屏蔽），起到多層板作用；合理布線，盡量減小回路面積，以減小射頻干擾；印制板上走線方向盡量避免突發(fā)，否則會(huì)導(dǎo)致阻抗的不連續(xù)和產(chǎn)生輻射，造成射頻干擾。由于儀器為便攜式儀器，必須采用低功耗CMOS電路。但由于CMOS電路輸入阻抗高，會(huì)引起很?chē)?yán)重的信號(hào)反射畸變，從而增加系統(tǒng)的噪聲，因此布線盡可能短，盡量減少過(guò)孔數(shù)目。
2.4 EMI濾波器的應(yīng)用
EMI電子元件品種很多，如電感尖、電容類(lèi)、壓敏電阻類(lèi)、LC組合件類(lèi)、常規(guī)EMI濾波器類(lèi)等。各類(lèi)又包含許多品種類(lèi)型，如帶鐵氧體磁珠的三引線圓片電容器、疊層片式浪涌吸收器、鐵氧體扼流圖等。
由于干擾屬近場(chǎng)干擾，干擾強(qiáng)烈且復(fù)雜。為此，濾波器必須安裝在線路板上，不但要對(duì)信號(hào)線采用EMI濾波器，在電源通常也采用EMI濾波器。為節(jié)省空間，采用焊接式安裝，同時(shí)為保證濾波性能，特別注意焊接工作。
選作濾波器時(shí)主要是確定濾波器的截止頻率。截止頻率的選擇必須保證濾波器的通帶能夠覆蓋有用信號(hào)的帶寬，保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)最大限度地濾除不必要的干擾。為防止電磁輻射引起數(shù)字信號(hào)傳輸錯(cuò)誤、造成死機(jī)和復(fù)位等，在數(shù)字信號(hào)通道上接入抗高頻干擾的EMI濾波器。采用日本村田公司生產(chǎn)的帶鐵氧體磁珠的三引線圓片電容器DSS310系列EMI濾波器，其等效電路如圖2示，插入損耗與頻率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。
針對(duì)模擬信號(hào)的抗干擾，也采用同類(lèi)EMI濾波器，只是在選擇截止頻率時(shí)保證大于信號(hào)的帶寬�？紤]由近場(chǎng)對(duì)公共線路所帶來(lái)的沖擊浪涌干擾，選用帶鐵氧體磁珠的三引線圓片壓敏一電容器型EMI濾波器DSS710系列，圖4為其對(duì)電源干擾的抑制特片和壓縮特性。壓敏電壓22V，電容量可達(dá)22000pF，加上鐵氧體磁珠的作用，其對(duì)電磁干擾的抑制頻率可以降低到3MHz以上，衰減大于20dB，且抑制頻率范圍明顯展寬。此類(lèi)濾波器用于系統(tǒng)各種電源通道中。
以惠普的CodeMaster除顫器為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行多次測(cè)試，并同時(shí)與瑞典METRON公司生產(chǎn)的除顫器分析儀QA-45進(jìn)行比對(duì)，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1（QA-45在給定的測(cè)試范圍內(nèi)，精度為±2%）所示。僅以除顫器放電能量的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，在低能量測(cè)試中（<50J），誤差遠(yuǎn)小于2%；高能量測(cè)試中，誤差也能控制在2%之內(nèi)。經(jīng)連續(xù)多次的高能量的放電測(cè)試，證明系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性及穩(wěn)定性，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的性能要求。
表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表
10
30
70
100
150
200
300
360 5.07
10.08
30.25
70.25
100.7
151.0
202.0
304.5
365.4 331.04
468.2
812.08
1337.8
1482.4
1810.4
2093.7
2570.5
2815.8 24
24
24
25
25
24
25
26
26 5.1
10.1
30.1
70.8
101.7
151.8
202.5
303.6
364.7 331.5
468.5
808.5
1338.5
1485.0
1814.5
2096.0
2566.5
2813.5 24
24
25
24
25
24
25
25
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