氣動柔性脈診儀抗干擾技術(shù)的研究

齊永奇，張濤

( 華北水利水電學(xué)院機械學(xué)院，河南鄭州450011)

現(xiàn)有基于多探頭的脈診儀［1］，其探頭與脈管為剛性接觸，機構(gòu)制動系統(tǒng)采用機械傳動的立式結(jié)構(gòu)，較難保持診斷接觸位置的穩(wěn)定性，柔順性差，與臨床診脈實際相去甚遠。為此在前期專利(發(fā)明專利“一種中醫(yī)脈象采集用柔性仿生手”(申請?zhí)?210062CN)和實用新型專利“一種基于導(dǎo)電橡膠的脈象測量用柔性觸頭” (申請?zhí)?220063CN))研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于柔性仿生手的多探頭脈診儀測控系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機作為核心控制器，探頭與脈管為柔性接觸，具有定位速度快、性能可靠等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)的組成

測控系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要包括柔性仿生手，用于壓力傳感器所采集的脈搏信號的放大整形、濾波電路、脈搏壓力傳感器陣列，放大濾波電路，轉(zhuǎn)換電路，單片機，PC 機，氣源和電磁閥等部件。附著在柔性仿生手上的陣列A/D 轉(zhuǎn)換電路等傳入單片機和PC 機，同時在PC 機控制策略的指引下，單片機輸出控制氣動系統(tǒng)的信號，使仿生手帶動傳感器迅速找到最佳脈搏位置。但在實際應(yīng)用中，單片機易受如電磁輻射、電源抖動以及系統(tǒng)內(nèi)部噪聲等多種因素的干擾［2－3］，嚴重影響測控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，除了脈象位置和脈象信息系統(tǒng)的設(shè)計思想和方法外，抗干擾［4－5］是脈診儀中單片機測控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮的主要問題之一。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件抗干擾技術(shù)

由于各種干擾的不確定性，很難通過理論推導(dǎo)獲得準(zhǔn)確的模型參數(shù)，而且系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計包含了相當(dāng)豐富的實踐知識，常用措施有隔離、濾波、屏蔽、去耦、合理布線及接地等。

2.1 隔離技術(shù)

常用的隔離方法包括光電隔離［6］和電磁隔離等。

為了阻止干擾信號進入單片機，而且可有效切斷地環(huán)路電流，抑制由于地電位差所形成的干擾，在執(zhí)行器與氣動系統(tǒng)的晶閘管電源之間采用固態(tài)繼電器(SSR)驅(qū)動，SSR 內(nèi)部的光電耦合器將輸入和輸出隔離。尖峰脈沖及各種干擾的幅度雖然較大，但其能量很小，只能形成微弱的電流，而光耦合器的發(fā)光二極管只有通過一定強度的電流才能發(fā)光，光電晶體管也只在一定光強下才能工作。這樣，即使電壓幅值很高的干擾，因不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉。

圖2 變壓器隔離

為有效地抑制仿生手傳感器電路和信號調(diào)理電路之間的高頻干擾信號，設(shè)計隔離變壓器［2］進行隔離放大，如圖2 所示。隔離變壓器的次級輸出電壓只與初級繞組兩輸入端電位差成正比，因此，它對差模信號是“通暢”，而對共模信號則是“陷阱”，在初級初次繞組間設(shè)置靜電屏蔽層并且接地，以減少初次級寄生電容，從而可有效抑制高頻干擾。

2.2 濾波技術(shù)

通常在調(diào)理電路和采集電路之間接入隔直電容C和電壓跟隨器，使調(diào)理電路的零漂電壓等不會隨被測信號一起送到采集電路，如圖3 所示。電容C 和電壓跟隨器輸入電阻Ri形成一個RC 高通濾波器［3］。在系統(tǒng)測控通道中，采用RC 濾波還設(shè)置了去混淆低通濾波器，利用電容的充放電特性來濾掉高頻噪聲。

圖3 RC 濾波電路

2.3 屏蔽技術(shù)

電磁閥工作時會產(chǎn)生大量的電磁輻射，如繼電器的吸合、換向、電機的啟動等，所輻射的電力線或磁力線作用于系統(tǒng)的敏感電路，會使模擬信號產(chǎn)生畸變或使數(shù)字信號引起誤信號，有時會引起控制裝置誤動作。根據(jù)屏蔽原理，可用導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬材料(銅、鋁等)制作屏蔽罩，將帶有電磁干擾的氣動部分裝在屏蔽罩內(nèi)，且將屏蔽罩接地。

2.4 電源抗干擾

系統(tǒng)中使用了繼電器、電磁閥等電感設(shè)備，為了提高電源的抗干擾能力，電源設(shè)計［4］采用向采集電路供電的線路與向繼電器等供電的線路分開，以避免在供電線路之間相互干擾，如圖4 所示。

圖4 電源設(shè)計

為了抑制靜電干擾，對變壓器和低通濾波器進行屏蔽。電源的高次諧波干擾，采用低通濾波器濾除，而讓50 Hz 市電基波通過，同時改善電源波形。數(shù)據(jù)采集部分，采用三端穩(wěn)壓集成芯片7812 和7805 及LC 濾波處理，并對電源進行負壓差保護。

2.5去 耦技術(shù)

集成電路工作在翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時，其工作電流變化很大，為避免集成電路與其他電路之間干擾，在某些關(guān)鍵部位配置去耦電容［4］，可采取如下方法: (1)在電源輸入端跨接10 ～100 μF 的電解電容器;(2)在重要芯片電源輸入端加0.01 μF 的陶瓷電容器，作為去耦電容以便較好地吸收高頻噪聲; (3)在單片機“RESET”端加去耦電容，對電路中出現(xiàn)的尖峰電壓干擾，雖不會使單片機復(fù)位(復(fù)位電壓必須保持10 ms 以上高電平)，但有時會改變寄存器內(nèi)容，形成干擾。

2.6 其他抗干擾措施

除了上述幾方面外，硬件抗干擾設(shè)計中，還要考慮以下幾方面的接地抗干擾技術(shù):

(1)模擬電路中的傳感器、放大器、A/D 等信號比較小，精度要求高。為了避免脈沖邏輯電路工作時突變電流通過對模擬量的共模干擾，應(yīng)將數(shù)字、模擬地分開，通過各自的地線匯流排分別與電源地線相連。

(2)在采用屏蔽雙絞線［6］傳送信號時，應(yīng)將屏蔽地域工作地連在一起，保證單點接地，以免形成回路，在屏蔽體上產(chǎn)生較大的噪聲。

(3)印刷電路版上易受干擾的器件應(yīng)集中布置，并加以屏蔽，熱敏元件要遠離發(fā)熱元件，發(fā)熱器件應(yīng)分散幅值，必要時可安裝散熱器。

3 軟件抗干擾技術(shù)

軟件抗干擾技術(shù)［5］是當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行或輸入信號受到干擾后去偽存真的一種輔助方法。軟件設(shè)計靈活，節(jié)省硬件資源，對軟、硬件均能實現(xiàn)的功能應(yīng)盡可能采用軟件來完成。系統(tǒng)設(shè)計中主要采用數(shù)字濾波、軟件冗余、軟件陷阱和“看門狗”技術(shù)等。

3.1 數(shù)字濾波

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，受多種隨機干擾因素的影響，傳感器陣列采集的多通道信號誤差較大。為克服隨機干擾引入的誤差，作者采用數(shù)字濾波技術(shù)［5］，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，主要用于濾去疊加在采樣值之上的干擾成分。數(shù)字濾波只有一個計算程序，多輸入通道可共用一個軟件“濾波器”，通過修改濾波程序或運算參數(shù)改變其濾波特性，因此對于低頻、脈沖干擾、隨機噪聲等特別有效。

(1)算術(shù)平均濾波。適用于對一般的隨機干擾信號進行濾波，某時刻采集的多通道數(shù)據(jù)會在某一數(shù)值范圍上下波動。因此，對N 個采樣數(shù)據(jù)xi(i =1，2，3，…，N)，尋找一個y，使y 與各采樣值之間的偏差的平方和最小，即使

值最小，則由一元函數(shù)求極值的原理可得:

對某一點通過傳感器陣列的采集的多個數(shù)據(jù)運用公式(2)計算其平均值，作為該點的采樣結(jié)果。當(dāng)N 較大時，平滑度高，但靈敏度低，外界信號對測量計算結(jié)果的影響小;當(dāng)N 較小時，平滑度低，但靈敏度高，實際應(yīng)用中按具體情況選取N。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。

(2)一階慣性濾波法。對于采集系統(tǒng)中的低頻干擾信號(如0.1 Hz)，因為C 太大，采用硬件RC濾波常無法實現(xiàn)，這時可利用軟件方法替代硬件RC濾波器以完成RC 低通濾波器的算法。一階慣性數(shù)字濾波公式為:

其中:Q 為數(shù)字濾波器的時間常數(shù)。算法對周期性干擾有良好的抑制作用，適用活動頻繁的參數(shù)濾波。

(3)中位值濾波。為了有效克服干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況，對某脈象一個采樣點連續(xù)采集多次，把N 次采樣值按大小排列，取中間值作為該點的此次采樣結(jié)果。

(4)限幅濾波。當(dāng)采樣信號由于隨機干擾而引起嚴重失真時，可以采用限幅濾波。其基本方法是比較此次采樣值和上次采樣值，如果它們的差值未超過允許的最大偏差值，則認為此次采樣有效而保留。如果其差值超過了允許的最大偏差值，則認為此次采樣值無效而用上一次采樣值替代。

在基于單片機的脈診儀采集系統(tǒng)設(shè)計中，為了保證顯示的數(shù)據(jù)和用于數(shù)字PID 控制運算的實測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確代表被測量的“真值”，將上述方法互相配合使用對原始數(shù)據(jù)進行處理。其處理的流程為:先數(shù)字濾波，消除隨機干擾引起的誤差;再進行標(biāo)度變換和非線性校正;最后才送去顯示或用于PID 控制中實測值與給定值的偏差處理。

3.2 軟件冗余技術(shù)

當(dāng)嚴重干擾使程序脫離正常的運行軌道，程序“亂飛”時，往往是由于將操作數(shù)數(shù)值改變或?qū)⒉僮鲾?shù)當(dāng)作操作碼等錯誤引起的。這時可采用指令冗余技術(shù)，在對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、ACALL LJMP、JZ、JC、DJNZ 等)和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SET、EA 等)之前插入兩條NOP 指令，或重復(fù)寫上述重要指令，以保證這些指令被正確執(zhí)行。

3.3 軟件陷阱技術(shù)

若“亂飛”程序落到非程序區(qū)(如EPROM 未使用的空間或表格區(qū)等)時，指令冗余措施并不能使“亂飛”的程序恢復(fù)正常，此時可設(shè)定軟件陷阱，攔截亂飛程序，強行將捕獲的程序引入一個指定地址，在此處有一段專門處理錯誤的程序，把程序納入正規(guī)。通常，軟件陷阱可安排在未使用的EPROM 空間、未使用的中斷區(qū)、運行程序區(qū)和非EPROM 芯片空間等區(qū)域。

3.4 “看門狗”技術(shù)

若“亂飛”程序陷入一個臨時構(gòu)成的“死循環(huán)”中，指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)都將無能為力，這時可采用Watchdog (俗稱“看門狗”)技術(shù)。在系統(tǒng)中利用AT89S52 自身所帶的14 位計數(shù)器和看門狗復(fù)位寄存器(WDTRST)實現(xiàn)“看門狗”功能，正常運行時WDT 不會輸出溢出信號，若程序出現(xiàn)異常，超過設(shè)定循環(huán)時間使WDT 溢出，這時RST 引腳將輸出一個高電平脈沖，使AT89S52 復(fù)位，重新開始執(zhí)行程序。“看門狗”技術(shù)既可由硬件實現(xiàn)，又可由軟件實現(xiàn)，還可由兩者結(jié)合來實現(xiàn)。

4 結(jié)論

在同某醫(yī)院共同開發(fā)的基于單片機的柔性仿生手脈象儀測控系統(tǒng)中，由于采取了上述一系列抗干擾技術(shù)，使得系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率降低，實現(xiàn)了對脈象信息的多探頭提取和對氣動系統(tǒng)電磁閥的有效控制。

【1】張治國. 寸、關(guān)、尺三部脈象信號采集分析儀:中國，201020138627.0［P］.2010 －11 －10.

【2】郭一軍，張遷.基于AT89S52 單片機智能儀器的抗干擾技術(shù)研究［J］.自動化儀表，2009，30(5):63 －65.

【3】劉慶剛，周傳運.變頻控制系統(tǒng)的干擾源分析及抗干擾措施［J］.機床與液壓，2009，37(6):251 －253.

【4】孫傳友，孫曉斌.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:243 －246.

【5】趙子濤，呂國芳，崔皓，等.微機測控系統(tǒng)軟件抗干擾技術(shù)研究［J］.水力發(fā)電，2007，33(5):94 －96.

【6】王亞平，黃云龍.閥門電動執(zhí)行器中的抗干擾技術(shù)［J］.儀器儀表學(xué)報，2005，26(8):917 －918，923.