基于一階遞推限幅濾波的中頻電療儀電源干擾解決方法

徐肖鯨+++趙宏才+++郭佳樂+++刁少文

摘 要：隨著智能化對各行各業(yè)的影響，傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)也迎來了更先進(jìn)的治療手段。在單片機(jī)作為控制核心的電療儀中，有可能遇到各種干擾，以至于在使用電療儀時(shí)使人體產(chǎn)生不適感。文章將對電療儀中可能出現(xiàn)的電源干擾進(jìn)行分析，并研究出一種融合一階遞推數(shù)字濾波與限幅濾波的軟件抗干擾方法。

關(guān)鍵詞：中頻電療儀；單片機(jī)；軟件抗干擾；一階遞推濾波；限幅濾波

1 電療儀中可能出現(xiàn)的干擾與抗干擾手段

在如今智能化設(shè)備對傳統(tǒng)行業(yè)帶來巨大改變的情況下，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的治療手段也得到了廣泛而全面的提升。而電療，作為一種古老的治療方式通過智能化設(shè)備的發(fā)展再次活躍起來。在電療儀器發(fā)展的過程中，單片機(jī)，作為嵌入式系統(tǒng)中性能與功耗均佳的一種選擇，得到最為廣泛的運(yùn)用。

用戶可能在不同的環(huán)境下使用電療儀，以及儀器本身的一些原因，會產(chǎn)生很多不確定的因素對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行干擾。影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的干擾因素可能有來自于儀器內(nèi)部與外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各元器件之間的干擾、安裝制造過程中帶來的干擾以及外部的使用環(huán)境條件等。

單片機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用的軟件抗干擾的解決方法有：通過某些算法使系統(tǒng)能濾去干擾波形從而恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在這方面可以使用數(shù)字濾波器、輸入口信號重復(fù)檢測、輸出口信號刷新、軟件攔截、指令冗余、軟件陷阱和程序監(jiān)視技術(shù)等軟件抗干擾方法。

而本文將要研究的干擾是來自于電源的，電源的干擾是單片機(jī)系統(tǒng)中最嚴(yán)重的干擾來源之一，電源干擾主要是由電源與電源引出線所產(chǎn)生的，在電療儀的電源開關(guān)通電的一剎那，在電極貼片輸出端，會輸出一個(gè)比較大的干擾波形，給患者帶來明顯的電擊感。

2 常用的數(shù)字濾波器介紹

在軟件抗干擾中，由于軟件可以根據(jù)代碼的不同，更加靈活的作用于實(shí)際運(yùn)用，節(jié)省了大量的硬件資源，這使得軟件抗干擾在如今得到更多青睞，不過由于軟件抗干擾需要CPU進(jìn)行運(yùn)算，占用時(shí)間比硬件抗干擾更多，所以軟件抗干擾程序不宜設(shè)計(jì)過長。而數(shù)字濾波器作為一種最為常見抗干擾方法，有著高效的抗干擾能力，可以更好的解決許多實(shí)際問題，得到人們的重視。

數(shù)字濾波法是指通過將一組數(shù)字序列輸入到單片機(jī)中進(jìn)行一定的運(yùn)算，然后輸出成另一組數(shù)字序列的方法。

2.1 一階遞推數(shù)字濾波法

一階遞推數(shù)字濾波法是一種軟件抗干擾手段，在應(yīng)對來自電源的干擾時(shí)能有效的濾除高頻及低頻干擾信號。其遞推公式為Yn=QXn+（1+Q）Yn-1。其中Q為時(shí)間常數(shù)，Xn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸入，Yn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。一階遞推數(shù)字濾波法適合作用于變化較慢的系統(tǒng)，并不適用于變化較快的系統(tǒng)。

2.2 限幅濾波法

限幅濾波通常是為了克服系統(tǒng)中竄入的隨機(jī)脈沖干擾信號。其原理是比較兩個(gè)相鄰采樣值，然后根據(jù)系統(tǒng)所需輸出設(shè)定允許的最大偏差，如果兩次采樣的差值并不大于最大偏差值，則取本次采樣值； 若兩次采樣的差值大于最大偏差值，則可認(rèn)為系統(tǒng)中竄入了隨機(jī)脈沖干擾，應(yīng)刪除這次采樣值，并用上次采樣值作為替代。

3 一階遞推限幅數(shù)字濾波法的抗干擾工作過程

在電療儀的使用過程中，為了應(yīng)對可能的電源干擾，在系統(tǒng)中同時(shí)使用限幅濾波與一階遞推限幅濾波可以最大限度地使儀器有更強(qiáng)的軟件抗干擾能力。在應(yīng)對來自通斷電源造成的隨機(jī)脈沖干擾，限幅濾波可以做到有效抑制，而在正常使用過程中，一階遞推限幅數(shù)字濾波可以保證系統(tǒng)不受外界的高頻與低頻信號干擾，保證了中頻電療的正常輸出治療波。圖2為融合一階遞推與限幅的數(shù)字濾波法的抗干擾過程。

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作者簡介：徐肖鯨（1991-），性別：男，碩士，青島理工大學(xué)，研究方向：智能體控經(jīng)絡(luò)電療儀的研發(fā)。

趙宏才（1958-），性別：男，研究生導(dǎo)師，副教授，青島理工大學(xué)。

郭佳樂（1990-），性別：男，碩士，青島理工大學(xué)，研究方向：康復(fù)機(jī)器人。

刁少文（1989-），性別：男，碩士，青島理工大學(xué)。