DIY自己的家庭電子醫(yī)療箱 軟硬件設(shè)計(jì)方案 （二）前置放大和抗干擾

便攜式心電監(jiān)護(hù)儀 ? 前置放大電路

2.4 數(shù)字電路與模擬電路的隔離處理

對(duì)于便攜式監(jiān)護(hù)儀來(lái)說(shuō)，它是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時(shí)就需要考慮模擬部分與數(shù)字部分互相干擾的問(wèn)題。 數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)。對(duì)信號(hào)線來(lái)說(shuō)，高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件；對(duì)地線來(lái)說(shuō)，整個(gè)PC B對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)；在PC B板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的，只是在PC B與外界連接的接口處，數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接。屏蔽珠又稱抗干擾珠、電磁/射頻干擾抑制器，它具有很好的抗高頻干擾作用，在電子線路中可用來(lái)屏蔽連線 和電纜中的傳導(dǎo)性干擾。在這里，我們選取6.8LH的屏蔽珠來(lái)隔離模擬和數(shù)字的電源。

? ? ? ?2.5 元件的布局和PCB板的設(shè)計(jì)

在PCB板中，包含多種類型的電路，有小信號(hào)的模擬電路、高速數(shù)字電路、高頻的GPRS信號(hào)等。為了避免各部分電路中信號(hào)相互耦合而產(chǎn)生干擾， 對(duì)不同類型的電路部分進(jìn)行分離布局是PCB板設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則。各部分之間不僅應(yīng)保持相當(dāng)距離，還要分開(kāi)走線。

電源系統(tǒng)的布線包括電源線VDD和地線VSS的布線，是系統(tǒng)抗干擾的一個(gè)重要部分。VDD和VSS應(yīng)盡可能擴(kuò)大面積，以防止因電磁能量較強(qiáng)而產(chǎn)生電磁干擾能量的發(fā)射，這也是保證高頻信號(hào)到地之間具有低阻抗的措施。

? ? ? 2.6 對(duì)模擬電路加屏蔽的技術(shù)

微弱的心電信號(hào)埋沒(méi)在周圍各種頻率的電磁場(chǎng)在人體內(nèi)感應(yīng)出的干擾信號(hào)中，而這些干擾信號(hào)的感應(yīng)電壓都是通過(guò)人體和導(dǎo)聯(lián)線與干擾源的耦合電容或電感在起作用。加上GP RS的高頻信號(hào)對(duì)送入A/ D的模擬小信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

所以，除了將模擬電路部分和數(shù)字電路部分分離布局以外，還要對(duì)模擬電路部分加上屏蔽罩。

? ? 3 抗干擾軟件設(shè)計(jì)方案

當(dāng)隨機(jī)干擾信號(hào)混入輸入信號(hào)時(shí)，可以采用模擬濾波器來(lái)濾除信號(hào)中無(wú)用的成分，以提高信號(hào)的質(zhì)量。但是模擬濾波器在低頻和甚低頻時(shí)實(shí)現(xiàn)起 來(lái)是比較困難的，而數(shù)字濾波器則不存在這些問(wèn)題。它具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于克服隨機(jī)干擾引起的誤差。數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué) 運(yùn)算通常有兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種是頻域法，即利用FFT快速運(yùn)算辦法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換，根據(jù)所希望的頻率特性進(jìn)行濾波。另一種方法是時(shí)域法，這 種方法是通過(guò)對(duì)離散抽樣數(shù)據(jù)作差分?jǐn)?shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)達(dá)到濾波目的的。由于該方法簡(jiǎn)單易用，適用于實(shí)際應(yīng)用。數(shù)字濾波器依據(jù)沖激響應(yīng)的寬度劃分為有限沖激響應(yīng)濾波器（ FIR）和無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）。由于無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器具有無(wú)限記憶和運(yùn)算項(xiàng)數(shù)較少的特點(diǎn)，并且對(duì)于相同階次的數(shù)字濾波器而言， IIR具有更高的精度。故為了在保證濾波質(zhì)量的前提下提高速度，我們采用IIR濾波器。

? ? ? 3.1低通濾波器的設(shè)計(jì)

通過(guò)使用低通濾波器，我們希望能夠?yàn)V除高于EC G頻率范圍的高頻部分。我們選取的采樣頻率為fs=200Hz，所以T = 5ms.根據(jù)ECG的頻率范圍，我們選取截止頻率fc=99Hz，根據(jù)低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表，我們選取通帶最大衰減寬度rp =0.1dB，選取阻帶最小衰減rs =60dB，階數(shù)n=4.根據(jù)Matlab的設(shè)計(jì)結(jié)果，得出算法程序的公式：

3.2帶阻濾波器的設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)依靠模擬帶阻濾波器來(lái)消除50Hz工頻干擾，效果是不理想的。為此，我們?cè)俨捎脭?shù)字濾波器來(lái)消除工頻干擾。我們選取 的采樣頻率為fs=200Hz，所以T=5ms.在這里，我們同樣采用橢圓函數(shù)濾波器。首先，設(shè)計(jì)橢圓函數(shù)濾波器的階數(shù)。選取通帶截止頻率wp1=45， wp2=55，阻帶截止頻率為ws1= 49.8， ws2= 50.2.選取通帶最大衰減寬度rp = 0.1dB，選取阻帶最小衰減rs =60dB.根據(jù)Matlab的設(shè)計(jì)結(jié)果，得出算法程序的公式：

量相同的腔體組成，兩腔體間有一個(gè)復(fù)合材料做的高彈性隔膜，隔膜在水壓作用下可左右伸展，腔體各有一進(jìn)出水口連接 三通電磁閥，三通電磁閥控制切換容量室內(nèi)透析液的進(jìn)出。如圖2a所示工作時(shí)，電磁閥V 1中下端相通，水在脫水泵驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入A室，隔膜向左伸展A室容量增大，同時(shí)電磁閥V2上下端相通， B室中的水在A隔膜的擠壓下排出B室，經(jīng)過(guò)送液傳感器。送液傳感器用以監(jiān)測(cè)容量室透析液的流動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到容量室排盡時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)切換電磁閥V1、V 2的工作狀態(tài)（如圖2b） ，電磁閥V 2中下端相通，水進(jìn)入B室，隔膜向右伸展，同時(shí)電磁閥V 1上下端相通， A室中的水排出。送液傳感器重新檢測(cè)到流量，直至容量室排盡再次切換V1、V 2工作狀態(tài)。在容量室的容量固定的情況，送液傳感器對(duì)電磁閥切換進(jìn)行計(jì)數(shù)即可精確的計(jì)算出透析液的送液量。透析液經(jīng)送液傳感器進(jìn)入由流量控制閥與流量反饋 閥組成的平均流量控制單元，流量控制閥是一個(gè)三通可控閥，排出流量等于進(jìn)液量減去反饋量，只要控制反饋量大小即可控制透析液的平均流量，流量反饋閥由直流 電機(jī)控制，精度為？ 5ml/ min，透析液的平均流量在（ 400~ 600） ml/min連續(xù)可調(diào)。當(dāng)A液監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)的透析液電導(dǎo)度及溫度監(jiān)測(cè)值在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，旁路三通電磁閥V14左右端相通，電磁閥V15打開(kāi)，透析液進(jìn)入透析器，與血液進(jìn)行離子交換后的廢液從透析器另一端流出，經(jīng)過(guò)濾器、V15、透析壓力傳感器進(jìn)入漏血檢測(cè)器。漏血檢測(cè)器是紅細(xì)胞探測(cè) 器，防止當(dāng)透析器中的透析膜破裂后透析液進(jìn)入血液，保證治療安全。

檢測(cè)靈敏度可調(diào)范圍為（ 200~ 1000） ppm，即1L透析液中只要混有（ 0.2~ 1） ml的血液，檢測(cè)器就可以檢出并發(fā)出報(bào)警。透析液壓力傳感器用以監(jiān)測(cè)透析液壓力，防止透析壓力過(guò)高造成透析膜破裂，危及透析安全及影響治療效果。

流出漏血檢測(cè)器的透析廢液經(jīng)負(fù)壓泵進(jìn)入脫氣室，廢液中混入的空氣集于密閉的脫氣室上方，脫氣室內(nèi)浮動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)電磁閥V8排出空氣，保證了排液容量室流量精 度。透析廢液經(jīng)排液容量室、排液傳感器、POD（ Pressure Offset Device）、熱交換器排出機(jī)器。負(fù)壓泵是個(gè)直流可調(diào)速泵，根據(jù)設(shè)定的病人脫水速度（ 0~ 5.99L/ h）控制泵轉(zhuǎn)速，控制電壓在8V~ 21V ，泵前壓力即透析液壓力從70mmHg到- 400mmHg.排液容量室和排液傳感器的結(jié)構(gòu)原理與送液容量室和送液傳感器相同，可精確計(jì)算出透析廢液的排液量。病人的實(shí)際脫水量等于排液量減去送液 量，只要精確控制負(fù)壓泵的轉(zhuǎn)速，即可控制病人的脫水速度及總的脫水量，脫水精度達(dá)到？ 30ml/h.壓力補(bǔ)償裝置PO D的一端通過(guò)電磁閥V 7與病人的靜脈壓力檢測(cè)口相通，是為防止由于病人靜脈壓波動(dòng)引起跨膜壓TMP（ Transmembr ane Pressure）波動(dòng)過(guò)大，影響脫水精度。熱交換器是利用排出的廢液溫度對(duì)進(jìn)入透析機(jī)的反滲水進(jìn)行預(yù)熱。

在"消毒"、"酸洗"狀態(tài)時(shí)，主水路工作狀態(tài) 不變，只是旁路三通電磁閥V14右上端相通，電磁閥V15關(guān)閉，水流不進(jìn)入透析器起到一個(gè)安全防護(hù)作用。將A液和B液的吸管分別插入各自的沖洗腔，電磁閥V9、V10、V11打開(kāi)，消毒液、酸洗液在A液泵、 B液泵的作用下經(jīng)V9、V 10、V11、AB液沖洗腔進(jìn)入主水路，對(duì)整個(gè)水路系統(tǒng)進(jìn)行消毒及酸洗。

在/清洗0狀態(tài)時(shí)，主水路工作狀態(tài)同 /消毒0狀態(tài)，只是將A液、B液、消毒液、酸洗液的吸管分別插入各自的沖洗腔，電磁閥V9、V10、V11打開(kāi)， A液泵和B液泵反轉(zhuǎn)，水由主管路經(jīng)A B液沖洗腔、V9、V10、V11、消毒液沖洗腔、酸洗液沖洗腔、單向閥、由出水口排出機(jī)器，在對(duì)整個(gè)水路清洗的同時(shí)，也清洗了吸管和沖洗腔。

JM S S DS- 20血液透析機(jī)的水路系統(tǒng)與其它品牌的血透機(jī)（如Fr esen ius費(fèi)森尤斯、Nikk iso日機(jī)裝等）相比，最大的特點(diǎn)是取消了超濾泵，由負(fù)壓泵同時(shí)完成負(fù)壓脫氣與超濾功能，配合進(jìn)出液容量室及POD精確控制超濾，簡(jiǎn)化了水路系統(tǒng)，降低了 機(jī)器成本，但實(shí)現(xiàn)了同樣的功能。

4結(jié)束語(yǔ)

作為便攜式監(jiān)護(hù)儀器，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積便于攜帶是其自身固有的特點(diǎn)。本文針對(duì)這些特點(diǎn)，提出了采用單極性供電方 式實(shí)現(xiàn)前置放大電路的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)也論述了心電信號(hào)抗干擾的設(shè)計(jì)方案。本文著重介紹了抗干擾的硬件解決方案，而要滿足便攜式儀器的這些基本特點(diǎn)，軟件抗 干擾解決方案的重要地位則是不可忽視的。為此，我們把這一部分放在以后的心電信號(hào)預(yù)處理中加以詳細(xì)介紹。