PM 8000多參數監護儀主控板的原理與維修

陳宏軍，豐光全，王鳳紅

北京老年醫院 器械科，北京 100095

PM 8000多參數監護儀主控板的原理與維修

陳宏軍，豐光全，王鳳紅

北京老年醫院 器械科，北京 100095

本文根據PM8000型多參數監護儀主控板工作原理框圖，闡述了PM8000型多參數監護儀主控板的工作原理，分析了主要元器件功能，總結了主控板的常見故障及原因。

多參數監護儀；心電圖；無創血壓；醫療設備維修

PM8000型多參數監護儀可實時檢測人體的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數，實現對各參數的監督報警、信息存儲和傳輸，能為醫學臨床診斷提供重要的生理信息，在醫療診治過程中發揮著重要作用。

主控板是多參數監護儀是最重要的部件之一，具有系統的控制、調度及管理；數據的處理、存儲、顯示、診斷及打印；網絡傳輸等功能。

主控板與外部的互連包括電源輸入和多路串口、薄膜場效應晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor，TFT-LCD）屏接口、模擬視頻圖形陣列（Video Graphics Array，VGA）接口、網絡接口、模擬輸出等。板上保留OCD調試模式（Background Debugging Mode，BDM）接口用作軟件調試和軟件下載[1]。

PM8000型多參數監護儀主控板故障發生率較高，現將其工作原理及常見故障介紹如下。

1 工作原理

儀器開機后，閃存器U3、U4中存儲的主程序被引導到內存中，主處理器U7進行運算處理，控制其他相應部件、模塊工作。工作中，傳感器采集的NIBP（無創血壓）、ECG（心電圖）及SpO2（血氧飽和度）等信號送到相應模塊進行干擾抑制、信號濾波和放大等預處理，轉換成電信號，信號經I/O（輸入/輸出）線、總線送到內存。主處理器根據預設程序指令對內存傳來的各數據進行計算分析，結果與設定閾值比較，進行監督報警，將結果數據實時存儲到閃存器，并經過總線傳送到顯示單元供顯示。顯示控制芯片圖形處理器（Graphic Processing Unit，GPU）根據主處理器的要求，完成圖像處理過程，并將最終圖像，送入低壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）發射端芯片，通過LCD液晶屏進行顯示。主處理器將數據通過網絡控制器、網絡接口傳送至護士中心工作站上，在PC機屏幕上實時顯示，供醫療診治使用。

2 主控板的硬件結構

主控板主要元器件表，見表1。主控板主要由4部分組成：CPU處理單元、顯示單元、網絡傳輸單元和I/O接口單元。原理框圖，見圖1。

表1 主控板主要元器件一覽表

2.1 CPU處理單元

CPU處理單元主要元件有：CPU芯片、內存芯片和閃存芯片。

U7：Motorola公司生產的嵌入式控制器，ColdFire 5206E作為主控板的主CPU，工作電壓在3.3 V，工作時鐘54 MHz（X1）。它通過總線和I/O線與外圍的ECG、NIBP、SpO2等模塊相連接，對其進行通訊和控制，對模塊反饋回來的數據進行處理并傳送給相應的輸出設備。

U3～U4：閃存（TE28F800）。采用兩片Flash存儲器芯片并聯，為本機提供16M閃存。用來存儲PM8000啟動時運行的程序和常數。CPU的輸出端口PP1用于Flash存儲器的寫保護，低電平有效。在需要更新軟件版本時，通過BDM接頭，即插座P7下載[1]。

U1～U2：動態隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），為內存。由兩片1Mwords×16 bit的Hynix DRAM芯片并聯，為本機提供32 M內存。

工作過程中，閃存中的程序被CPU引導到內存，CPU在內存中對數據進行運算處理。內存用來存放當前正在使用的（即執行中）的數據和程序，只用于暫時存放程序和數據，一旦關閉電源或發生斷電，就會釋放所有的存儲空間，其中的程序和數據就會丟失。

2.2 顯示單元

主要由顯示控制芯片GPU、顯存芯片、低壓差分信號傳輸芯片U21構成。

U14：顯示控制器GPU。Xilinx公司的具有串口控制功能的VGA顯示芯片現場可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）XC2S50，作為主控板的GPU，工作電壓3.3 V，顯示時鐘為38 MHz（X3）。U14還擴展出多路串口，這些串口與外部參數模塊進行通訊。U14將收到的數據通過總線傳遞給CPU，CPU通過U14發送數據給各外部參數模塊。

U10～U13：幀存儲器（Video Random Access Memory，VRAM），顯存芯片。由4片SRAM靜態存儲器構成，分為字符區和波形區兩部分。顯示屏上的可見信息是這兩個區域中顯示像素的疊加。用來存儲顯示芯片GPU（U14）運算處理的臨時數據及程序。

U21：低壓差分信號傳輸芯片，LVDS發送器。LVDS發送器將U14輸出的并行RGB（紅綠藍）數據信號和控制信號轉換成低電壓串行LVDS信號，然后通過驅動板與液晶面板之間的柔性電纜（排線），將信號傳送到液晶面板側的LVDS接收器，LVDS接收器再將串行信號轉換為TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）電平的并行信號，送往液晶屏進行顯示控制。

CPU對采集的數據按照預設程序指令進行運算處理后，經I/O總線送到顯示單元，GPU將顯示數據存放到VRAM顯存芯片，進行運算處理后，視頻信號經低壓差分信號傳輸芯片U21，送到LVDS輸出端口，供本機LCD液晶顯示屏顯示。數字視頻信號分成兩路，一路通過P2送給機內的CRT（陰極射線管顯示器）顯示組件，另一路通過二極管/電阻網絡合成后輸送到P17（VGA）接口，驅動外部VGA顯示器。

2.3 網絡傳輸單元

網絡傳輸單元主要由網絡控制芯片U19、網絡隔離變壓器U20及網絡存儲器構成。

U19：網絡控制器。采用臺灣ASIX公司推出的兼容NE2000的快速以太網控制芯片Ax88796。工作時鐘為25 MHz有源晶振（X4），可靠地保證了數據傳輸的精確同步性，大大減少了丟包的可能性。

U20：網絡隔離變壓器。網絡隔離變壓器又稱數據汞，型號為FRECOM FM81-2319。U20可以增強傳輸信號，使信號傳送的距離更遠；又可使芯片端與外部隔離，增強抗干擾能力，對芯片增加了保護作用（如浪涌電壓、雷擊等）；當接到不同電平的網絡接口時，不會對彼此設備造成影響。因此U20主要承擔信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制和高電壓隔離等作用。

網絡存儲器：該機型網絡傳輸采用共享內存方式，即網絡傳輸時，網絡存儲器占用主機內存。

當有網絡傳輸請求時，CPU將數據通過網絡控制芯片、網絡隔離變壓器U20，輸送到P15（NET）接口，再通過監護網絡等設備，將實時的患者生命體征數據與中心工作站進行通訊傳遞。

2.4 輸入輸出接口單元

主控板上的I/O接口包括5個異步串口和1個I2C接口。U14 GPU擴展出多個串口。P8（CO/IBP）、P5（CO2）、P9（SpO2）及P6（ECG）等模塊接口經U23與U14進行連接，P12（PCON）電源控制經U22與U14相連接，P14（NIBP）、P10（KB）鍵盤接口和P13（REC）記錄儀接口經U24與U14相連接。

U22～U248路D觸發器。外部輸入的數據輸送到相應的D觸發器鎖存，由片選信號選擇數據的傳輸，從而實現串行數據通訊。串口工作的波特率來自CPU工作時鐘。

U5（CAT24C161）E2PROM器件，主要功能是復位與存儲用戶設置參數。U5提供對主控板的復位控制，即開機上電或系統出現故障時，為CPU、GPU、網絡控制器提供復位信號。其Vcc檢測電路可使系統免受低電壓的影響，當檢測到最小工作電壓時，系統將復位，直到Vcc返回到正常值為止。J1開路時，軟件通過CPU輸出口線PR0也可以禁止Watchdog（監視器），以提供Watchdog的自檢。該芯片為I2C總線接口，連接到CPU的M-bus總線上。

U6：主控板的時鐘芯片DS1337，見圖2。主要功能有：時鐘、日歷、鬧鐘、周期性中斷輸出、32KHz時鐘輸出等。DS1337串行實時時鐘芯片是一種低功耗、全部采用BCD碼的時鐘芯片。該芯片通過I2C接口與控制處理器芯片通信，提供穩定的總線時序給后續電路用，以完成芯片間的通信。BT1主板電池用于保存用戶的設置參數信息以及維持實時時鐘不掉電。

U25：D/A轉換器采用MAX5102芯片，將CPU送來的ECG或IBP數字信號轉換成模擬信號，經低通濾波和放大，提供給P16（模擬輸出），進行輸出。

B1：蜂鳴器。主控板CPU直接控制，用于對系統致命故障進行聲音報警。

主控板的電源通過P11與電源板連接，電源包括5 V主電源、12 V模塊工作電源和一路備用輔助電源。FPGA的3.3 V工作電源通過直流穩壓器U11產生。12 V模塊工作電源和串口信號合并后連接到各參數模塊。

X1、X3～X4：為有源晶振。

3 故障與維修

3.1 故障一

3.1.1 故障現象

開機后，儀器黑屏無顯示，但電源指示燈亮。3.1.2 故障分析與檢修

白屏說明顯示屏背光燈有供電，但不能正常顯示主控板提供的顯示數據。應考慮LVDS連接排線、LVDS芯片、屏壞、GPU、顯存及主控板供電故障。首先，PM8000正常啟動，排除主控板供電故障，按血壓測量鍵聽氣泵是否有工作聲音。通過PM8000后面VGA輸出口外接顯示器來排除GPU、顯存是否工作正常[2]。外接顯示器后，能正常顯示監護儀工作界面，說明顯示系統功能基本正常，可能是屏壞或屏排線松動導致接觸不良。

按血壓測量鍵聽氣泵有工作聲音；外接顯示器后，能正常顯示監護儀工作界面；更換顯示屏及排線后，故障依舊。LVDS接口無輸出，重點檢查U21芯片。用萬用表測量U21第2、8、21腳電壓，均無3.3 V工作電壓。查貼片電阻R101及C90均正常。U21工作電壓3.3 V由U16穩壓后提供。一般引腳排列為1、地；2、出；3、入。測量U16有5 V電壓輸入，無3.3 V電壓輸出。U16為1117 M/33.3 V電源電壓轉換器，用一導線直接到該板上同型號電壓轉換器U18電壓輸出腳，短時開機顯示正常。購買該同型號集成塊更換后，故障排除。

3.2 故障二

3.2.1 故障現象

開機進入監護界面后，中間部分全部黑色，沒有心電、血氧、呼吸等波形和文字顯示。屏幕上方紅色警示條顯示“12V DC過低，系統時鐘不存在。”

3.2.2 故障分析與檢修

經檢查DC12V電源輸出正常，主板電池偏低，更換后故障依舊。故懷疑時鐘電路問題。

此機使用的是DS1337實時時鐘芯片，首先測量DS1337芯片的供電腳8為0 V，該芯片未得電工作。在DS1337和電池正極回路查找，未找到明顯斷路。用小刀將DS1337第8腳VCC端周圍電路斷開，用導線直接將電池正極引到DS1337第8腳。量DS1337的供電端，有3 V電壓。將機器恢復，通電開機，報系統時鐘需要重新設置，設置好時間，機器使用正常。

3.3 故障三

3.3.1 故障現象

開機后屏幕顯示花屏，其他工作正常。

3.3.2 故障分析與檢修

判斷是連接線虛造成。打開機器，重新拔插液晶屏連接線，故障依舊。測量電源電壓，正常。采用替換法，分別用正常機器的連接線、高壓板、主板與故障機相應部件相替換后，開機檢查。當主板替換后，故障機顯示正常。將故障機的主板替換到正常機后，故障存在。確定是主板顯示故障。顯示控制器輸出的數字視頻信號一路通過P2送給機內的CRT顯示組件，另一路通過二極管/電阻網絡合成后驅動外部VGA顯示器。外接VGA顯示器顯示正常，故排除顯示主單元故障，判斷故障應發生在顯示傳輸過程。

故障機開機，用改錐敲擊LVDS顯示輸出回路并從本機顯示器中觀察顯示狀況，當觸及到U21外圍幾個管腳時，圖像顯示發生變化。故判斷這幾個管腳接觸不良，用無水酒精清理干凈，用熱風槍對管腳進行補焊后，開機顯示正常。故障排除。

3.4 故障四

3.4.1 故障現象

開機后，機器報“NIBP通訊錯誤”，按打氣鍵不工作，其余工作正常。

3.4.2 故障分析與檢修

此故障表明NIBP模塊與主控板之間的通訊發生異常。檢查NIBP模塊與主控板之間的連接線連接可靠，故障應該出現在NIBP模塊或主板上。將該機NIBP模塊替換到正常機器上，工作正常，故判斷主控板故障。用萬用表重點測量主控板P14（NIBP接口）及U24周邊電路。

經查貼片電阻R86/220Ω開路，造成NIBP模塊與主控板通訊中斷。更換此貼片電阻，機器工作恢復正常。

3.5 故障五

3.5.1 故障現象

開機后，機器報"網絡初始化錯誤"，其余工作正常。

3.5.2 故障分析與檢修

系統工作自檢時，CPU未能同網絡控制芯片處得到正常的通訊數據。分析問題主要有4方面：① 主控板上網卡芯片的供電電路出了問題，網卡芯片沒有供電。檢查主板上的主要元件有無燒傷的痕跡，用萬用表測量網卡控制芯片周邊及供電電路貼片電阻及電容有無短路、斷路存在。在加電狀態下，用萬用表測網卡芯片供電端（VCC），看是否有電，如果沒有則修理供電電路；② 網卡芯片損壞或虛焊。只能更換或補焊；③ 主板上網卡芯片的晶振振蕩不正常，晶振損壞。用示波器測量振蕩頻率，不正常則更換；④ CPU同網絡傳輸單元通訊線路故障。經檢查網絡控制芯片周邊幾個貼片電容對地短路，從舊板上拆下相同元件更換后，故障排除。

4 小結

在醫療器械維修時，要熟悉儀器性能狀態，了解故障現象，確定故障部位。如果確定是電路板故障，應仔細檢查電路板上有無明顯損壞的元器件，研究其工作原理，將其大的系統逐步分解至小的單元系統，測量主要電壓及波形，充分利用替換法快速查找到故障原因，尋找解決辦法。

維修時，要膽大心細、思路清晰，故障就會迎刃而解。

[1] 謝友道.多參數監護儀結構原理與維修[M].江西:科學技術出版社,2010.

[2] 李麗麗,呂尋偉.PM9000多參數監護儀常見故障維修[J].醫療設備信息,2007,22(8):123,15．

[3] 張宇.歐美達雙有創監護儀血壓板故障的維修[J].中國醫療設備,2009,24(8):142.

[4] 麥奕輝.邁瑞監護儀常見故障分析與排除[J].醫療保健器具, 2006,(8):17-18.

[5] 劉勇,盧中凱,張紅俠.DASH4000監護儀的工作原理及維修[J].中國醫療設備,2011,26(8):143-144.

Principle and Troubleshooting of Main-Board for PM 8000 Multi-parameter Monitor

CHEN Hong-jun, FENG Guang-quan,WANG Feng-hong
Equipment Department, Beijing Geriatric Hospital, Beijing 100095, China

TH776

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.043

1674-1633(2012)09-0138-04

2012-03-22

2012-08-27

陳宏軍，工程師。研究方向：醫療設備的管理、使用、維修與保養。

作者郵箱：lnyyxxk@yahoo.com.cn