SE-1200 Express 心電圖機的工作原理及故障分析處理

陳雄德，余權桂，倪倩，曾健，韓遠峰

廣州中醫藥大學深圳醫院（福田）醫療設備部 （廣東深圳 518000）

隨著醫療機構醫療服務質量的提升和醫療科學技術的發展，心電圖機在醫學臨床中得到了廣泛的使用，已成為各級醫療機構的基本配置，并使心電圖作為心臟病診斷的一種重要手段被臨床廣泛應用。

SE-1200 Express 是理邦公司生產的一款質量穩定、性能優越的心電圖機。該款心電圖機在二甲以上醫院的占有率較高，現介紹SE-1200 Express 心電圖機的工作原理及故障分析處理。

1 SE-1200 Express 心電圖機的工作原理

1.1 SE-1200 Express 心電圖機整機原理

SE-1200 Express 是一款十二道心電圖機。該機采用全數字式設計，配置熱敏點陣打印及5.7寸的液晶屏，具有心電參數自動測量和分析、基線自動調節、全數字濾波器、自動或手動操作、靈活多樣的輸出打印等功能。整機原理見圖1。

圖1 SE-1200 Express 心電圖機整機原理

SE-1200 Express 十二道心電圖機各功能模塊的主要組成和功能如下。（1）電源板：輸出+12、+5、-12 V 電源，提供主板、心電板的電源并為電池充電。（2）主板：具備微控制單元（microcontroller unit，MCU）、芯片ARM9 S3C2410、隨機存儲器（random access memory，RAM）、閃存（flash memory，Flash）、以太網、USB、緩存（buffer）接口及串口RS232等資源。（3）心電板：用于心電信號的采集和處理。（4）鍵盤板：提供用戶輸入接口，包括功能鍵、字母鍵和數字鍵。（5）顯示器：5.7寸液晶屏，可帶觸摸屏，顯示心電波形、參數等。（6）熱敏打印頭：由熱敏頭、電機、齒輪等結構部件組成。

1.2 SE-1200 Express 心電圖機電源板原理

電源板原理見圖2。電源板的主要功能為，向整個系統提供+12、+5、-12 V的電源電壓，此外，還向電池充電電路提供電壓。電源板的原理如下：使用二級共模濾波輸入220 V交流電源，經電磁兼容性器件后到全橋整流電路芯片D8（KBP206），該電源模塊輸出采用兩級穩壓，第一級為變壓器和芯片TOP247Y組成的DC-DC穩壓電路，穩壓到19 V，后級采用芯片LM2576構成穩壓電路，穩壓到+12、+5、-12 V，芯片LM2576-ADJ可進行大電流的轉換調節[1]；電池充電部分采用芯片LM317和芯片TL431組合電路實現，由芯片LM317組成恒流電路，由芯片TL431組成恒壓電路，當恒流充電接近16.8 V時，由恒流充電轉換為恒壓充電，直至充電結束[1]。機器接通電源后，AC-DC電路立即工作，但DC-DC電路暫不工作，只有在按下開機按鈕后，DC-DC電路才工作，即整機電源接口接入220 V交流電，電源板即可輸出19 V電壓，當按下“開機按鈕”時，各路DC-DC電壓輸出。斷開交流輸入電源后，AC-DC停止工作，若只斷開交流輸入電源，在整機連接電池的情況下，DC-DC電路仍會繼續工作，輸出直流電壓。

圖2 SE-1200 Express 心電圖機電源板原理

1.3 SE-1200 Express 心電圖機主板原理

主板主要包括MCU S3C2410、動態隨機存取存儲器（dynamic random access memory，DRAM）、閃存芯片（NAND FLASH）、以太網芯片、復雜可編程邏輯控件芯片（complex programmable logic device，CPLD）等，集成了主頻達200 MHz 的最小系統。主板提供心電板、熱敏打印頭、液晶屏上所需的電源，并提供USB、以太網、輸入輸出、串口RS232、步進電機和熱敏打印頭接口所需的接口電路和插座。打印部分包括電機驅動電路、熱敏頭驅動及缺紙檢測等電路，其中包括電機驅動芯片ULN2003，其作用是放大驅動電機的功率。因各種打印速度下的驅動力矩要求不同，故需根據不同速度調節驅動電壓，機器通過控制信號選擇模擬開關芯片4066來實現芯片LM2577電機驅動輸出電壓的變化。電機電壓可調電源電路芯片LM2577，提供12.7、17.8、24 V 3種電壓來驅動電機，從而實現不同的打印走紙速度。紙張檢測靠打印頭旁的一個光電二級管實現，其基本原理是，當有打印紙時，三極管截止，輸出為高電平；無打印紙時，三極管導通，輸出為低電平。

1.4 SE-1200 Express 心電圖機心電板原理

SE-1200 Express 心電圖機心電板的原理框圖見圖3。導聯線輸入信號先通過高壓除顫保護電路（氖管）、電壓鉗位電路（芯片BAV99）、輸入緩沖電路、變換阻抗，實現高輸入阻抗（芯片TL064電壓跟隨器），再經過威爾遜連接網絡實現9個通道的波形矢量輸入，并且對各個導聯進行差分放大（芯片TL064），之后進行起搏抑止（芯片BAV99）、濾波，最終，心電信號輸入到模數采集輸入部分。心電信號先經一級放大，在通道控制口線的控制下，將所需心電信號或導聯脫落信號切換到放大器，經過電平的平移作用，輸入到MCU 的內部模數轉換器進行采樣。模塊與外部的通信通過光耦跨過隔離帶實現。主板輸入的電源經過變壓器與接口板部分隔離，以滿足安全要求。

圖3 SE-1200 Express 心電圖機心電板原理框圖

2 SE-1200 Express 心電圖機的故障分析處理

2.1 故障一

2.1.1 故障現象心電圖機開機進入系統后，有時液晶屏屏幕閃爍并抖動幾下，變暗又重新發亮，有時液晶屏顯示基本正常。

2.1.2 故障分析及處理

首先，考慮故障由液晶屏損壞或不良導致，采用“外觀檢查法”觀察液晶屏表面，無明顯裂縫、污痕、變焦、變黃、鼓包等現象，初步測試液晶屏的電壓及數據信號，未發現明顯異常，因故障發生不頻繁，為盡快定位故障點，采用“替換法”將該故障機的液晶屏與另一臺完好的心電圖機的液晶屏對調替換，發現原故障機的故障依然存在，而另一臺機器正常，表明此故障非液晶屏損壞所引起；進一步考慮故障可能存在于主板或電源板，因故障時有時無，不利于排除，故采用可靠性分析“老化測試”方法，將放置該機器的房間內的環境溫度設定為40 ℃，開啟機器進入系統，通過高溫加速不良芯片的老化，使故障更快穩定地呈現，每隔2 h觀察1次機器的工作狀態，經過將近2 d的測試，故障發生更為頻繁且整個系統開始變得不穩定，考慮到電源板的故障率相對主板更高，先測試向主板、液晶屏供電的5 V電壓，結果發現，在斷開后端負載且不接主板及液晶屏的情況下，電源板正常輸出+12、+5、-12 V；在接入主板及液晶屏后，5 V電壓輸出開始變得不穩定，芯片U4 LM2576 2引腳電壓輸出會下降，且低于4 V，再測試芯片U4 LM2576 1引腳，結果發現，前端輸入電壓19 V正常，同時另外兩路電壓輸出穩定，最終，定位5 V輸出芯片U4 LM2576不良，更換芯片LM2576，電源板5 V電壓輸出穩定，故障排除。

2.1.3 小結

對于偶發故障，維修人員可采用高溫老化的辦法促使故障盡快呈現，在解除故障的過程中，若涉及系統各部件的排除，如有同類設備，可采用“替換法”，一步步縮小故障排查范圍。一般而言，直觀的屏幕故障，如花屏、閃屏、屏幕有黑圈、亮點等，屏本身發生故障的可能性較大，可采用“外觀檢查法”先觀察部件，尋找是否有損壞的痕跡，同時，還需注意供電電壓是否穩定，信號數據傳輸有無明顯中斷，晶振工作時的波形是否持續穩定等。

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

心電圖機開機進入系統，采集患者的心電信號完成后，按下打印按鍵進行打印，發現打印倉出來的打印紙是空白的，沒有心電波形等信息。

2.2.2 故障分析及處理

首先，確認打印紙是否反裝，熱敏打印紙反裝后，無法通過在熱敏紙上加熱記錄儀描跡來呈現心電波形及診斷信息；其次，觀察打印頭結構，發現打印頭無松動，出紙時順暢緊湊，打印時用手輕壓打印頭結構部件，打印結果仍為空白[2]，卸下打印頭并清潔灰塵重新測試，打印依舊空白[2-3]，測試打印頭的供電電壓，結果為24 V，正常，參考維修手冊、主板板面芯片、打印接口連接情況，將故障定位到打印電路芯片U22（74HC123），查看此芯片規格說明書后得知，這是一個由單穩態觸發器實現加熱時間的硬件控制的芯片，主板芯片S3C2410發出溫控信號，觸發單穩態芯片74HC123翻轉，其輸出保持410 us 的低電平，即加熱時間[4]，測量J10接口的打印信號，發現打印時溫控信號未從5 V轉變至2.8 V 左右，測量U22供電電壓引腳2和引腳16，結果顯示，電壓為5 V，正常，用手接觸鐵件（釋放人體身上的靜電）3 s，然后用手輕輕觸碰U22表面，感受是否有明顯發燙現象[5]，還可用紅外測溫儀來測試芯片表面的溫度，避免因接觸靜電損壞芯片及出現燙傷等情況，結果發現，U22表面溫度很低，用手觸碰未發現明顯升溫的現象，查看芯片使用手冊及維修手冊后，可知芯片引腳14和15之間接了一個電容，進一步根據芯片規格說明書得知，此電容與脈沖輸出時間具有直接關系，在板上測量電容兩端的阻抗，發現阻值偏小，更換此電容后，故障解決，打印正常。

2.2.3 小結

心電圖機的打印功能使用較頻繁，易發生故障，發生故障時可先進行簡單的排除，若打印空白由主板故障所致，可通過比較打印接口J10的正常信號（打印前和打印時兩種狀態的信號）與故障機器的接口信號迅速定位出現故障的芯片模塊。

2.3 故障三

2.3.1 故障現象

心電圖機開機進入系統后，液晶屏上方顯示缺紙，按下按鍵面板的打印按鍵，記錄儀不打印。

2.3.2 故障分析及處理

心電圖機顯示缺紙，通常有以下幾種原因：（1）打印紙已經用完，裝入新的打印紙即可；（2）打印紙未安裝到位（人為操作失誤），光電二級管未檢測到打印紙；（3）光電二級管損壞，無法檢測并識別打印紙。

紙倉出口處可見打印紙外露出一小截，打開紙倉，發現打印紙放置良好，正反面放置正確，因此初步判斷可能是光電二級管出現了故障，使用打印紙為光電二級管遮光，測量主板光電二級管接口的中間引腳，發現電平無變化，使用鑷子快速短接引腳，為檢測引腳引入3.3 V 的高電平，模擬正確檢測時打印紙狀態的電平變化，此時，液晶屏不顯示缺紙，表明故障由光電二級管損壞所致，更換光電二級管，故障排除[6]。

2.3.3 小結

紙張檢測是通過打印頭旁的一個光電二級管實現，其基本原理是，當有打印紙時，二極管截止，輸出為高電平；無打印紙時，二極管導通，輸出為低電平；明確檢測原理后，可從其他地方引入電平來排除故障原因；此外，有時心電圖機打印心電波形及診斷信息后仍然會繼續出一段空白的打印紙，造成紙張浪費，此故障主要是由不同廠家的打印紙差異所引起，部分廠家的打印紙底部不含黑標檢測，若心電圖機的紙張標記設置為有，則心電圖機將無法識別打印紙每一頁的起點，從而造成無法檢測，致使出現多一段空白打印紙的情況，此時，需將心電圖機的紙張標記設置為無。

2.4 故障四

2.4.1 故障現象

SE-1200 Express 心電圖機開機后，心電模塊接口已連接導聯線，肢體導聯和胸導聯連接患者，發現液晶屏顯示全部導聯脫落，未出現心電波形。

2.4.2 故障分析及處理

維修人員檢查導聯線外觀，發現整體外觀完好，無破損，查看導聯接頭未發現松脫現象，且導聯接口插針緊密排列，無松動現象，使用萬用表測量導聯線接口端與每一個導聯接頭端之間的電阻，基本都在10 kΩ 左右（不同型號導聯線的阻值可能不同），表明導聯線未發生故障，初步確定該故障由心電板故障導致；測量心電板與主板連接接口J4的電壓，結果為5 V，電壓正常，用示波器檢測心電板與主板通信接口，發現發送信號（transmit，TX）引腳無信號發給主板，由此，確定是心電板出現了故障，拆下心電板的絕緣片、屏蔽罩，測量發現， MCU 周邊電壓測試點（板上絲印標注有標稱電壓值）的電壓正常，心電板器件無明顯損壞現象，使用示波器測量主芯片的晶振X1，發現晶振不啟振，由此可見，晶振損壞，更換同樣規格的晶振，心電板功能恢復正常，故障排除。

2.4.3 小結

心電圖機中使用頻率較高的附件，如導聯線、肢體夾、吸球等較易發生損壞，需定期更換配件。心電板發生所有導聯脫落，無心電波形或波形整體呈現干擾等故障時，應關注供電電壓是否正常、晶振是否啟振、隔離光耦信號傳輸是否正常等。

3 總結

理邦的SE-1200 Express 心電圖機是一款比較成熟的機器，整機的故障率相對較低，發生故障較多的配件主要為常用的導聯線、肢體夾、吸球等。本文中所介紹的4例故障主要由元器件老化、使用磨損、器件使用壽命到期等因素所致；在維修該機時，需注意參照維修手冊及原理圖等，理清整體信號的大體走向，對可能涉及的故障芯片，可網上下載查閱芯片的規格說明書，以更好地掌握相關電路原理，診斷電路故障，同時，維修前應充分觀察是否有損壞的痕跡。