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。除顫器是利用瞬間釋放的高能量脈沖電流，通過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的強(qiáng)烈干擾，不死機(jī)、不復(fù)位，在不采用干擾避開法、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；
（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大功率電阻采用無感電阻，在布線時(shí)充分注意減少由引線帶來的寄生電抗參數(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
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