气动柔性脉诊仪抗干扰技术的研究.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 1卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 3 V0 1 ． 41 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 4 2 气动柔性脉诊仪抗干扰技术的研究 齐永奇，张涛 华北水利水电学院机械学院，河南郑州 4 5 0 0 1 1 摘要为了解决脉诊仪单点测量和刚性接触等问题，设计了多探头气动柔性脉诊仪测控系统。针对系统电磁干扰等问 题，在对系统组成原理及干扰进行分析的基础上，着重讨论了系统过程通道、电磁气动系统和电源等方面的硬件抗干扰措 施 ，分析了多探头信息处理技术及系统受干扰后 自我恢复的软件抗干扰设计。临床应用表明，该设计有效提高了系统的可 靠性和稳定性能。 关键词脉诊仪 ；抗干扰技术；滤波 中图分类号 T P 3 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 01 2 43 St u dy o n An t i i n t e r f e r e nc e Te c hno l o g y o f Pn e u ma t i c Fl e x i bl e Pul s e Di a g n o s i s I n s t r ume n t Q I Y o n g q i ，Z H A N G T a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d El e c t ri c P o w e r ．Z h e n g z h o u He n a n 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A i m i n g a t t h e s p o t me a s u r e m e n t a n d r i 6 d c o n t a c t o f p u l s e d i a gno s i s i n s t r u me n t ，m u l t i p r o b e p n e u ma t i c fl e x i b l e s y s t e m wa s d e s i g n e d ． T h e i mp r o v e d me t h o d s b a s e d o n t h e a n a l y s e s o f t h e s t ruc t u r e a n d i n t e rf e r e n c e w e r e p r o p o s e d t o s o l v e e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e p r o b l e m．Th e h a r d wa r e a n t i i n t e r f e r e n c e me t h o d s i n p r o c e s s c h a n n e l ，e l e c t r o ma g n e t i c p n e u ma t i c s y s t e m a n d p o we r s u p p l y w e r e e m p h a s i z e d ，a n d m u l t i - p r o b e i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g t e c h n i q u e a n d s o f t w a r e d e s i g n o f a n t i - i n t e rf e r e n c e a n d s e lf - a d j u s t m e n t w e r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s o f c l i n i c t r i a l s s h o w t h a t t h e a n t i - i n t e rf e r e n c e d e s i g n c a n i mp r o v e s y s t e m s t a b i l i t y a n d d e p e n d ab i l i t y ． Ke y wo r d s P u l s e d i a g n o s i s i n s t r u me n t ； An t i i n t e rf e r e n c e t e c h n o l o g y ； F i l t e r i n g 现有基于多探头 的脉诊仪⋯ ，其探头与脉管为刚 性接触 ，机构制动系统采用机械传动的立式结构，较 难保持诊断接触位置的稳定性 ，柔顺性差 ，与临床诊 脉实际相去甚远。为此在前期专利 发明专利 “ 一 种中医脉象采集用柔性仿生手” 申请号 1 2 1 0 0 6 2 C N 和实用新型 专利 “ 一种基 于导 电橡 胶 的脉象 测量 用 柔性触头” 申请号 1 2 2 0 0 6 3 C N 研究 的基础上， 设计了基于柔性仿生手的多探头脉诊仪测控系统 ，系 统 以单片 机作 为 核心 控制 器 ，探 头与 脉管 为柔 性接 触 ，具有 定位速 度快 、性能可靠等优点 。 1 系统的组成 测控 系统的原理图如图 1 所示 ，系统主要包括 柔 性仿生手，用于压力传感器所采集的脉搏信号的放大 整形 、滤波 电路 、脉搏压力传 感器阵列 ，放 大滤波 电 路 ，转换电路 ，单片机，P C机，气源和 电磁 阀等部 件 。附着在柔性仿 生手上 的 阵列 A ／ D转换 电路等 传 人单片机和 P C机 ，同时在 P c机控制策略的指引下 ， 单片机输出控制气动系统的信号 ，使仿生手带动传感 器迅速找到最佳脉搏位置。但在实际应用中，单片机 易受如 电磁辐射 、电源抖动以及 系统内部 噪声 等多种 因素的干扰 引，严重影响测控系统的可靠性和稳定 性。因此，除了脉象位置和脉象信息系统的设计思想 和方法外，抗干扰 是脉诊仪中单片机测控系统设 计应考虑的主要问题之一。 图 1系 统 原 理 图 2 硬件抗干扰技术 由于各种干扰的不确定性 ，很难通过理论推导获 得准确的模型参数，而且系统的抗干扰设计包含了相 当丰富的实践知识 ，常用 措施有 隔 离 、滤 波 、屏 蔽 、 去耦、合理布线及接地等。 2 ． 1 隔 离技 术 常用 的隔离方法包括光电隔离- o 和电磁 隔离等。 为了阻止干扰信号进入单片机，而且可有效切断 地环路电流 ，抑 制 由于地电位 差所形 成的干扰 ，在执 行器与气动 系统 的 晶闸管 电源 之 间采用 固态继 电器 S S R 驱动 ，S S R内部 的光 电耦合 器将 输入 和输 出 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 1 2 基金项目河南省教育厅科学技术研究重点项目 1 2 A 4 6 0 0 0 8 作者简介齐永奇 1 9 7 2 一 ，男，硕士，讲师，研究方向为信息采集及处理。Em a i l q i y o n g q i h e w n ． e d u ． a n 。 第 1 0期 齐永奇 等气动柔性脉诊仪抗干扰技术的研究 1 2 5 隔离。尖峰脉冲及各种干扰的幅度虽然较大 ，但其 能量很小 ，只能形成微弱的电流，而光耦合器的发光 二极管只有通过一定强度的电流才能发光，光电晶体 管也只在一定光强下才能工作。这样，即使电压幅值 很高的干扰，因不能使二极管发光，从而被抑制掉。 为有效地抑制仿生手传感器电路和信号调理电路 之间 的高频干扰信号 ，设计 隔离变压器 进行 隔离放 大 ，如图 2 所示 。隔离 变压器 的次级输出电压只与初 级绕组两输入端 电位差成 正 比，因此 ，它对差模 信号 是 “ 通畅” ，而对共模信号则是 “ 陷阱” ，在初级初次绕组 间 设 置静 电屏 蔽 层 并 且 接 地 ， I匹 图2 变压器隔离 以减少初次级寄生电容，从而可有效抑制高频干扰。 2 ． 2滤波技 术 通常在调理 电路和采集 电路之 间接入隔直 电容 C 和电压跟随器 ，使调理电路的零漂电压等不会随被测 信号一起送到采集电路 ，如图3 所示。电容 c和电压 跟随器输入电阻 R ； 形成一个 R C高通滤波器 J 。在系 统测控通道中，采用 R C滤波还设置了去混淆低通滤 波器 ，利用 电容 的充放 电特性来滤掉高频噪声 。 图 3 R C滤波电路 2 ． 3 屏蔽技术 电磁 阀工作时会产生大量 的电磁辐射 ，如继 电器 的吸合、换向、电机的启动等，所辐射的电力线或磁 力线作用于系统的敏感电路 ，会使模拟信号产生畸变 或使数字信号引起误信号 ，有时会引起控制装置误动 作 。根据屏 蔽 原理 ，可用 导 电性 能优 良的金 属材 料 铜、铝等制作屏蔽罩，将带有电磁干扰的气动部 分装在屏蔽罩内，且将屏蔽罩接地。 2 ． 4 电源抗 干扰 系统中使用了继电器、电磁阀等电感设备，为了 提高电源的抗 干扰能力 ，电源设计 采用 向采集 电路 供电的线路与向继电器等供电的线路分开，以避免在 供电线路之间相互干扰，如图4所示。 瓶 瓣 稳 压 器 U 变 压 器 U 滤 波 器 稳 压 器 图4 电源设计 继 电器 电磁 阀等 为了抑制静电干扰 ，对变压器和低通滤波器进行 屏蔽 。电源 的高次 谐波 干扰 ，采用 低通 滤波器 滤除 ， 而让 5 O H z 市电基波通过，同时改善电源波形。数据 采集部分，采用三端稳压集成芯片 7 8 1 2和 7 8 0 5及 L c滤波处理，并对电源进行负压差保护。 2 ． 5去耦技 术 集成电路工作在翻转状态时，其工作电流变化很 大 ，为避免集成电路与其他电路之间干扰 ，在某些关 键部位配置去耦 电容 ，可采取 如 下方法 1 在 电源输入端跨接 1 01 0 0 Ix F的电解 电容器 ； 2 在 重要芯片 电源输入端加 0 ． 0 1 F的陶瓷电容器 ，作为 去耦电容以便较好地吸收高频噪声； 3 在单片机 “ R E S E T ”端加去耦 电容，对电路中出现的尖峰电压 干扰 ，虽不会使单片机复位 复位电压必须保持 1 0 m s 以上高电平 ，但有时会改变寄存器 内容，形成 干扰 。 2 ． 6其他 抗 干扰措 施 除了上述几方面外，硬件抗干扰设计中，还要考 虑以下几方面的接地抗干扰技术 1 模拟电路中的传感器、放大器、A ／ D等信 号 比较小 ，精度要求高。为了避免脉冲逻辑电路工作 时突变电流通过对模拟量的共模干扰 ，应将数字 、模 拟地分开，通过各 自的地线汇流排分别与 电源地线 相连 。 2 在采用屏蔽双绞线 传送信号时，应将屏 蔽地域工作地连在一起 ，保证单点接地 ，以免形成回 路 ，在屏蔽体上产 生较 大的噪声。 3 印刷电路版上易受干扰的器件应集中布置 ， 并加以屏蔽 ，热敏元件要远离发热元件 ，发热器件应 分散幅值 ，必要时可安装散热器。 3软件抗干扰技术 软件抗干扰技术 是当系统受到干扰后使系统恢 复正常运行或输入信号受到干扰后去伪存真的一种辅 助方法 。软件设计灵活 ，节省硬件资源 ，对软 、硬件 均能实现的功能应尽可能采用软件来完成。系统设计 中主要采用数字滤波、软件冗余 、软件 陷阱和 “ 看 门狗 ”技术等 。 3 ． 1数 字滤 波 在数据采集系统中，受多种随机干扰因素的影 响，传感器阵列采集的多通道信号误差较大。为克服 随机干扰引入的误差 ，作者采用数字滤波技术 ，对 采集 的数据进行处理 ，主要用于滤去叠加在采样 值之 上的干扰成分。数字滤波只有一个计算程序，多输入 通道可共用一个软件 “ 滤波器” ，通过修改滤波程序 或运算参数改变其滤波特性，因此对于低频、脉冲干 扰、随机噪声等特别有效。 1 2 6 机床与液压 第 4 1 卷 1 算术 平 均滤波 。适 用 于对 一般 的 随机干 扰 信号进行滤波，某时刻采集的多通道数据会在某一数 值范 围上下波动 。因此 ，对 Ⅳ个 采样 数据 i 1 ， 2 ，3 ，⋯，Ⅳ ，寻找一个 Y ，使 Y 与各采样值之间的 偏差 的平方 和最小 ，即使 E m i n [ ∑ y X i ] 1 值最小，则由一元函数求极值的原理可得 y 对某一点通过传感器阵列的采集的多个数据运用 公式 2 计算其平均值，作为该点的采样结果。当 Ⅳ较大时，平滑度高 ，但灵敏度低，外界信号对测量 计算结 果的影 响小 ；当 Ⅳ较 小 时 ，平滑 度低 ，但灵 敏度高，实际应用中按具体情况选取 Ⅳ。这种方法可 以减少系统的随机干扰对采集结果 的影 响。 2 一阶惯 性滤 波法 。对 于采 集 系统 中 的低频 干扰信号 如 0 ． 1 H z ，因为 c太 大 ，采用 硬件 R C 滤波常无法实现 ，这 时可利用 软件 方法替 代硬件 R C 滤波器以完成 R C低通滤波器的算法。一阶惯性数字 滤波公式为 Y 1一Q y 一 。 Q 3 其 中 Q为数 字滤波器 的时间常数 。算法对周期 性干 扰有良好的抑制作用，适用活动频繁的参数滤波。 3 中位值 滤波 。为了有 效克 服 干扰造 成 采样 数据偏大或偏小 的情况 ，对某脉象一个采样点连续采 集多次 ，把 Ⅳ次采样值按大小排列 ，取中间值作为 该点 的此次采样结果 。 4 限幅滤波。当采样信号 由于随机干扰而引 起严重失真时，可以采用限幅滤波。其基本方法是比 较此次采样值和上次采样值，如果它们的差值未超过 允许的最大偏差值，则认为此次采样有效而保留。如 果其差值超过了允许的最大偏差值 ，则认为此次采样 值无效而用上一次采样值替代。 在基于单片机的脉诊仪采集系统设计中，为了保 证显示 的数据 和用 于数字 P I D控制运 算的实测数据 准 确代表被测量 的 “ 真值” ，将上述 方法互 相配合使 用 对原始 数据 进行 处 理。其处 理 的流 程 为 先数 字 滤 波 ，消除随机 干扰 引起 的误差 ；再进行标度变换和非 线性校正 ；最后才送去显示或用于 P I D控制 中实测值 与给定值 的偏 差处理 。 3 ． 2 软件 冗余 技 术 当严重干 扰使 程序 脱 离正 常 的运 行 轨道 ，程 序 “ 乱飞” 时 ，往往是 由于将 操作数数值 改变或将 操作 数当作操作码等错误引起的。这时可采用指令冗余技 术 ，在对程序流向起决定作用的指令 如 R E T 、R E T I 、A C A L L L J M P 、J Z 、J C 、D J N Z等和某些对系统 工作状态起重要作 用 的指 令 如 S E T 、E A等 之前 插入 两条 N O P指 令 ，或重 复写上 述 重要指 令 ，以保 证这些指令 被正确 执行 。 3 ． 3软件 陷阱技 术 若 “ 乱飞”程序落到非程序区 如 E P R O M未使 用的空间或表格区等时，指令冗余措施并不能使 “ 乱 飞” 的程序恢复正 常 ，此 时可设定 软件 陷阱 ，拦 截乱飞程序，强行将捕获的程序引入一个指定地址， 在此处有 一段 专 门处理 错误 的程 序 ，把 程序 纳入 正 规。通常，软件 陷阱可安排在未使用的 E P R O M 空 间、未使用的 中断区 、运行程 序区和非 E P R O M 芯片 空 间等 区域 。 3 ． 4 “ 看 门狗” 技 术 若 “ 乱飞”程序陷人一个临时构成的 “ 死循环” 中，指令冗余技术 、软件 陷阱技术都将无能为力 ，这 时可采用 Wa t c h d o g 俗称 “ 看门狗” 技术。在系统 中利用 A T 8 9 S 5 2自身所带 的 1 4位计数 器和看 门狗复 位寄存器 WD T R S T 实 现 “ 看 门狗 ” 功 能 ，正 常 运行时 WD T不会输 出溢 出信号 ，若程序出现异常， 超过设定循环时间使 WD T溢出，这时 R S T引脚将输 出一个 高 电平脉 冲 ，使 A T 8 9 S 5 2复 位 ，重新 开 始执 行程序。“ 看 门狗 ”技术 既可 由硬件 实现 ，又可 由软 件实现 ，还可由两者结合来 实现。 4结论 在同某医院共同开发的基于单片机的柔性仿生手 脉象仪测控系统中，由于采取了上述一系列抗干扰 技术，使得系统运行稳定 ，故障率降低 ，实现 了对 脉象信息 的多探头 提取和 对气 动 系统 电磁 阀 的有效 控制 。 参考文献 【 1 】张治 国． 寸、 关、 尺三部脉象信号采集分析仪 中国， 2 0 1 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