心脏除颤器测试分析仪的电磁兼容设计

摘要：分析了除颤器测试分析仪的主要干扰源及其特点，并讨论了抑制干扰的主要措施。经测试分析，证明仪器具有良好的电磁兼容性。 关键词：心脏除颤器 电磁兼容 EMI滤波器 除颤器是利用瞬间释放的高能量脉冲电流，通过短暂的电击去除心脏的室颤（VF）或房颤（AF），并使其恢复正常心律的种有效的医疗救护仪器。显然，除颤器的性能优劣将直接关系到临床急救的效果。作者研制的心脏除颤器测试分析仪，可对除颤器的各功能参数，包括放电能量、最大电流及电压，同步触发延迟时间、除颤器放电时间等进行校准检验，且能模拟人体输出多种心率、多种导联的标准心电波形以及检定除颤器性能的特定波形，并兼有检测与心电信号同步的除颤放电功能。 在除颤器测试分析仪的研制过程中，针对出现的干扰现象，分析了干扰现象，分析了干扰产生的原因及干扰的特点，采取了一些抗干扰措施，通过应用EMI（电磁干扰）滤波器，去除了放电脉冲在仪器内部所产生的强烈干扰，使除颤器测试分析仪工作稳定可靠，具有良好的电磁兼容性。 图1 仪器电路原理框图 1 系统的基本原理及干扰特点 本仪器以飞利浦单片机80C52为控制核心，完成对除颤器各项功能的测试分析，并通过接口电路对分析结果分析显示和传输，原理框图如图1所示。除颤器测试分析仪主要完成两部分功能：（1）完成对除颤器放电能量的准确测量；（2）准确、稳定地输出各种心电波形及测试波形。为检验除颤器的自动除颤功能及其特性参数要求分析仪能输出多种波形，包括具有多种导联输出的ECG（心电图）波且幅值可调，同时输出高幅值ECG信号、直流脉冲、方波、三角波、复合波、多种频率的正弦滤以及多种心律的标准R波。各种波形的输出通过数字合成，由程序产生的波形经D/A转换器输出，然后通过模拟电路变换成要求的输出模式。放电能量的检测是基于除颤器的高压放电脉冲通过模拟人体阻抗的模拟电阻（典型阻值为50Ω）放电，经衰减后送入可变增益放大器，变为A/D转换器的输入信号，然后进行处理和显示。 根据对仪器的要求，除完成各项功能外，在对除颤器的放电进行测试时，必须能够承受由放电脉冲带来的强烈干扰，不死机、不复位，在不采用干扰避开法、系统智能复位法等措施时，程序仍能正常执行。同时，由于仪器必须具有恢复放电脉冲波形的功能，测量模拟通道不能对放电信号采用滤波、浪涌阻尼等措施。这就对仪器的抗干扰性能提出了更高的要求。 系统的干扰源一部分是仪器内部数字电路、供电电源所产生的干扰以及仪器外部空间辐射电磁波干扰；另一部分干扰来自除颤器的放电脉冲。其干扰具如下特点： （1）电压峰值高、能量大，最高电压可达5000V，最大放电能量可达360J； （2）放电时间短，除颤器放电脉冲时间仅为10ms左右，脉冲前沿时间约为2ms； （3）放电波形复杂，对不同型号的除颤器，放电脉冲的形状不同，有单向指数衰减型、双向指数衰减型、单向截止型及双向截止型等； （4）干扰直接进入仪器内部。由于本仪器是便携式仪器，模拟人体的50Ω电阻置入仪器内，因此干扰产生于仪器内部； （5）干扰复杂。由于模拟人体的50Ω电阻所需功率大（该电阻一般为绕线电阻），此电阻存在较大的分布电感及分布电容，放电脉冲经该电阻必然产生较强的复杂干扰。 2 抗干扰设计及EMI滤波器的选用 干扰源产生的电磁干扰信号一般通过电容的静电耦合、电感的磁耦合、公共阻扰的地电源耦合、电磁辐射感应耦合等途径传播到被干扰的对象。由于强烈干扰源与测量控制电路置于同一机箱内，彼此相距很近，故电磁干扰传播要为近场感应，即电容耦合、磁耦合。此外，公共阻抗耦合也是传递干扰的重要途径，因此除了采用常用的软件抗干扰措施（如空指令的使用、数字滤波等）外，还从以下几方面进行整机的电磁兼容设计，以解决干扰问题。 2.1 抑制干扰源 为有效降低干扰源的干扰，模拟人体的50Ω大功率电阻采用无感电阻，在布线时充分注意减少由引线带来的寄生电抗参数、合理分配放电采样电阻的空间位置等，特别注意大电流通路的焊接质量，以防接触不良引起火花放电造成更强干扰；选用低频率电路芯片可有效地降低噪声，提高系统的抗干扰能力。 2.2 关于屏蔽层的设计 采用屏蔽的目的是为了在干扰的环境条件下保证系统信号传输性能。这种抗干扰措施可屏屏外来干扰，也可减少本身向外辐射能量。衡量器件传输性能的指标是ACR值（衰减/串扰比）。非屏蔽线在ACR值符合要求的条件下，其传输带宽和传输速率可以大大高于标准带宽和标准传输速率。但是当信号以很高的速率在线路中传输时，由于受到外界的电磁干扰以及自身内部的串扰，容易出现数据传输错误，降低系统的性能。所以系统中采用较低的速率传输数据，以增加系统的可靠性和安全性。 为了有效减少外界的电磁干扰，可以采用屏蔽措施。屏蔽分静电屏蔽和磁场屏蔽，静电屏蔽要求可靠地接地。实际的屏蔽系统存在着一些必须注意的问题，如接地方式、接地导线以及屏蔽的完整等。应慎重选用屏蔽电缆，因为屏蔽不但会导致信号传输的不平衡，而且会改变电缆的电容耦合，从而衰减增加，降低信号输出端的平衡性。同时考虑到干扰源与测量控制电路在同一仪器内，距离很近，若内部用屏蔽层，且屏蔽未良好地连接时，增加的电容效应将非常明显。在于以上考虑，在系统内部放电电阻与线路板及连接电缆之间，不采用屏蔽措施。但是对于塑料机壳的屏蔽必须仔细考虑，为降低外界电磁干扰，采用喷涂金属屏蔽层，同时要求涂层达到一定的厚度且对缝隙、孔洞进行泄露处理，特别注意可靠地接地。 2.3 抑制干扰的耦合通道及提高敏感电路的抗干扰措施 为了便于仪器安装及简化结构，结合上述关于屏蔽与非屏蔽的分析，仪器内部不采用屏蔽措施。为了解决干扰问题，除了采取软件及常用硬件抗干扰措施外，还采用多层线路板及EMI滤波器来增加仪器的抗干扰能力。 （1）基于电路原理，放电能量检测电路采用差分有源衰减电路，使放电脉冲取样电阻浮置，减少通过公共阻抗的电耦合传递的干扰。衰减电阻网络采用多个精密金属膜电阻，以提高衰减比例精度及减少电抗分布参数。 （2）线路板设计采用多层线路板，减小电磁干扰。合理安排器件分布，将信号采集及预处理部分、波形产生部分等与数字信号部分（如单片机控制单元、存储器、扩展I/O口等）从空间上隔离开。此外，将电源产生部分集中在一个区域，使线路板平面尽量靠近仪器底板（底板为仪器外壳屏蔽），起到多层板作用；合理布线，尽量减小回路面积，以减小射频干扰；印制板上走线方向尽量避免突发，否则会导致阻抗的不连续和产生辐射，造成射频干扰。由于仪器为便携式仪器，必须采用低功耗CMOS电路。但由于CMOS电路输入阻抗高，会引起很严重的信号反射畸变，从而增加系统的噪声，因此布线尽可能短，尽量减少过孔数目。 2.4 EMI滤波器的应用 EMI电子元件品种很多，如电感尖、电容类、压敏电阻类、LC组合件类、常规EMI滤波器类等。各类又包含许多品种类型，如带铁氧体磁珠的三引线圆片电容器、叠层片式浪涌吸收器、铁氧体扼流图等。 由于干扰属近场干扰，干扰强烈且复杂。为此，滤波器必须安装在线路板上，不但要对信号线采用EMI滤波器，在电源通常也采用EMI滤波器。为节省空间，采用焊接式安装，同时为保证滤波性能，特别注意焊接工作。 选作滤波器时主要是确定滤波器的截止频率。截止频率的选择必须保证滤波器的通带能够覆盖有用信号的带宽，保证设备的正常工作，同时最大限度地滤除不必要的干扰。为防止电磁辐射引起数字信号传输错误、造成死机和复位等，在数字信号通道上接入抗高频干扰的EMI滤波器。采用日本村田公司生产的带铁氧体磁珠的三引线圆片电容器DSS310系列EMI滤波器，其等效电路如图2示，插入损耗与频率的关系曲线见图3。 针对模拟信号的抗干扰，也采用同类EMI滤波器，只是在选择截止频率时保证大于信号的带宽。考虑由近场对公共线路所带来的冲击浪涌干扰，选用带铁氧体磁珠的三引线圆片压敏一电容器型EMI滤波器DSS710系列，图4为其对电源干扰的抑制特片和压缩特性。压敏电压22V，电容量可达22000pF，加上铁氧体磁珠的作用，其对电磁干扰的抑制频率可以降低到3MHz以上，衰减大于20dB，且抑制频率范围明显展宽。此类滤波器用于系统各种电源通道中。 以惠普的CodeMaster除颤器为测试对象进行多次测试，并同时与瑞典METRON公司生产的除颤器分析仪QA-45进行比对，其测试数据如表1（QA-45在给定的测试范围内，精度为%26;#177;2%）所示。仅以除颤器放电能量的性能指标进行分析，在低能量测试中（<50J），误差远小于2%；高能量测试中，误差也能控制在2%之内。经连续多次的高能量的放电测试，证明系统具有良好的重复性及稳定性，完全满足设计的性能要求。 表1 测试数据表 CodeMaster除颤器 除颤器测试分析仪 QA-45 放电能量（J） 能量测试平均值（J） 最大电压平均值（V） 延迟时间（ms） 能量测试平均值（J） 最大电压（V） 延迟时间（ms） 5 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 25