心臟除顫器測試分析儀的電磁兼容設計

摘要：分析了除顫器測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），并使其恢復正常心律的種有效的醫療救護儀器。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試分析儀，可對除顫器的各功能參數，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)行校準檢驗，且能模擬人體輸出多種心率、多種導聯(lián)的標準心電波形以及檢定除顫器性能的特定波形，并兼有檢測與心電信號同步的除顫放電功能。

在除顫器測試分析儀的研制過(guò)程中，針對出現的干擾現象，分析了干擾現象，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)應用EMI（電磁干擾）濾波器，去除了放電脈沖在儀器內部所產(chǎn)生的強烈干擾，使除顫器測試分析儀工作穩定可靠，具有良好的電磁兼容性。

圖1 儀器電路原理框圖

1 系統的基本原理及干擾特點(diǎn)

本儀器以飛利浦單片機80C52為控制核心，完成對除顫器各項功能的測試分析，并通過(guò)接口電路對分析結果分析顯示和傳輸，原理框圖如圖1所示。除顫器測試分析儀主要完成兩部分功能：（1）完成對除顫器放電能量的準確測量；（2）準確、穩定地輸出各種心電波形及測試波形。為檢驗除顫器的自動(dòng)除顫功能及其特性參數要求分析儀能輸出多種波形，包括具有多種導聯(lián)輸出的ECG（心電圖）波且幅值可調，同時(shí)輸出高幅值ECG信號、直流脈沖、方波、三角波、復合波、多種頻率的正弦濾以及多種心律的標準R波。各種波形的輸出通過(guò)數字合成，由程序產(chǎn)生的波形經(jīng)D/A轉換器輸出，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)衰減后送入可變增益放大器，變?yōu)锳/D轉換器的輸入信號，然后進(jìn)行處理和顯示。

根據對儀器的要求，除完成各項功能外，在對除顫器的放電進(jìn)行測試時(shí)，必須能夠承受由放電脈沖帶來(lái)的強烈干擾，不死機、不復位，在不采用干擾避開(kāi)法、系統智能復位法等措施時(shí)，程序仍能正常執行。同時(shí)，由于儀器必須具有恢復放電脈沖波形的功能，測量模擬通道不能對放電信號采用濾波、浪涌阻尼等措施。這就對儀器的抗干擾性能提出了更高的要求。

系統的干擾源一部分是儀器內部數字電路、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5000V，最大放電能量可達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）放電波形復雜，對不同型號的除顫器，放電脈沖的形狀不同，有單向指數衰減型、雙向指數衰減型、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，因此干擾產(chǎn)生于儀器內部；

（5）干擾復雜。由于模擬人體的50Ω電阻所需功率大（該電阻一般為繞線(xiàn)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)生較強的復雜干擾。

2 抗干擾設計及EMI濾波器的選用

干擾源產(chǎn)生的電磁干擾信號一般通過(guò)電容的靜電耦合、電感的磁耦合、公共阻擾的地電源耦合、電磁輻射感應耦合等途徑傳播到被干擾的對象。由于強烈干擾源與測量控制電路置于同一機箱內，彼此相距很近，故電磁干擾傳播要為近場(chǎng)感應，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、數字濾波等）外，還從以下幾方面進(jìn)行整機的電磁兼容設計，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(xiàn)時(shí)充分注意減少由引線(xiàn)帶來(lái)的寄生電抗參數、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干擾；選用低頻率電路芯片可有效地降低噪聲，提高系統的抗干擾能力。

2.2 關(guān)于屏蔽層的設計

采用屏蔽的目的是為了在干擾的環(huán)境條件下保證系統信號傳輸性能。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是ACR值（衰減/串擾比）。非屏蔽線(xiàn)在A(yíng)CR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準帶寬和標準傳輸速率。但是當信號以很高的速率在線(xiàn)路中傳輸時(shí)，由于受到外界的電磁干擾以及自身內部的串擾，容易出現數據傳輸錯誤，降低系統的性能。所以系統中采用較低的速率傳輸數據，以增加系統的可靠性和安全性。

    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)際的屏蔽系統存在著(zhù)一些必須注意的問(wèn)題，如接地方式、接地導線(xiàn)以及屏蔽的完整等。應慎重選用屏蔽電纜，因為屏蔽不但會(huì )導致信號傳輸的不平衡，而且會(huì )改變電纜的電容耦合，從而衰減增加，降低信號輸出端的平衡性。同時(shí)考慮到干擾源與測量控制電路在同一儀器內，距離很近，若內部用屏蔽層，且屏蔽未良好地連接時(shí)，增加的電容效應將非常明顯。在于以上考慮，在系統內部放電電阻與線(xiàn)路板及連接電纜之間，不采用屏蔽措施。但是對于塑料機殼的屏蔽必須仔細考慮，為降低外界電磁干擾，采用噴涂金屬屏蔽層，同時(shí)要求涂層達到一定的厚度且對縫隙、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)化結構，結合上述關(guān)于屏蔽與非屏蔽的分析，儀器內部不采用屏蔽措施。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(xiàn)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。

（2）線(xiàn)路板設計采用多層線(xiàn)路板，減小電磁干擾。合理安排器件分布，將信號采集及預處理部分、波形產(chǎn)生部分等與數字信號部分（如單片機控制單元、存儲器、擴展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)區域，使線(xiàn)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(xiàn)，盡量減小回路面積，以減小射頻干擾；印制板上走線(xiàn)方向盡量避免突發(fā)，否則會(huì )導致阻抗的不連續和產(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)乐氐男盘柗瓷浠�變，從而增加系統的噪聲，因此布線(xiàn)盡可能短，盡量減少過(guò)孔數目。

2.4 EMI濾波器的應用

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(xiàn)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，干擾強烈且復雜。為此，濾波器必須安裝在線(xiàn)路板上，不但要對信號線(xiàn)采用EMI濾波器，在電源通常也采用EMI濾波器。為節省空間，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的帶寬，保證設備的正常工作，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字信號傳輸錯誤、造成死機和復位等，在數字信號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(xiàn)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(xiàn)見(jiàn)圖3。

針對模擬信號的抗干擾，也采用同類(lèi)EMI濾波器，只是在選擇截止頻率時(shí)保證大于信號的帶寬�？紤]由近場(chǎng)對公共線(xiàn)路所帶來(lái)的沖擊浪涌干擾，選用帶鐵氧體磁珠的三引線(xiàn)圓片壓敏一電容器型EMI濾波器DSS710系列，圖4為其對電源干擾的抑制特片和壓縮特性。壓敏電壓22V，電容量可達22000pF，加上鐵氧體磁珠的作用，其對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)濾波器用于系統各種電源通道中。

以惠普的CodeMaster除顫器為測試對象進(jìn)行多次測試，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，其測試數據如表1（QA-45在給定的測試范圍內，精度為±2%）所示。僅以除顫器放電能量的性能指標進(jìn)行分析，在低能量測試中（<50J），誤差遠小于2%；高能量測試中，誤差也能控制在2%之內。經(jīng)連續多次的高能量的放電測試，證明系統具有良好的重復性及穩定性，完全滿(mǎn)足設計的性能要求。

表1 測試數據表