新型医用呼吸气体监护仪的研制

1万 · 2019-6-20 16:59

接地在EMC范畴内是一个重点关注的话题，做好接地处理能带来事半功倍的效果。
良好的接地不仅获得较好的EMS性能，更能够减小辐射的发射，亦即减小了EMI。接
地能在信号线与电位基准间形成低阻抗的导电路径。
在接地设计的时候我们常常会使用到搭接的方法。
搭接是在设备两个或多个导电部件之间形成低阻抗的导电路径，为电流最短的流向
路径而不是流过PCB板的其它电路再回到地。
在本论文课题中就利用了搭接的方法，如下图所示，由于结构设计的原因，产品分
成主体结构和前面板两个部分，其中前面板上安装有主控板和LCD液晶屏，这上面有
一小块金属板;其余大部分的部件都装在主体饭金件里面，主体部件接地。两个部分有
约lOmm的间隙，可以采用导电泡棉等材料将分开的两个部分的地相连。

1万 · 2019-6-20 16:59

1万 · 2019-6-20 17:00

所谓导电泡棉就是在阻燃海绵上包裹导电布，经过一系列的处理后，具有良好的表
面导电性，可以很容易用胶粘带固定，如图10所示。它可以压缩至原来厚度的60 070。
根据实际情况选取适当的厚度填塞在上图中的间隙里面即可。

1万 · 2019-6-20 17:00

滤波分成两大方面:电源滤波和信号滤波。
在交流电源进线处配置电源滤波器(又名“电源EMI滤波器”)，是一种无源的
双向网络，它能滤除电源中特定频率的频点或该频点以外的频率。EMI电源滤波器通
常包括:电感、电容、电阻或铁氧体器件。在阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，
和噪声源的阻抗和负载阻抗严重不匹配，从而发射回不希望的频率成分噪声源。
选用电源滤波器时，必须考虑这几个参数:电压、电流和插入损耗，其次要考虑尺
寸。
常用电源滤波器的构成如图11所示。具体的原理，很多文献都有描述，不再赘述。
本设计选用力征公司的EMI电源滤波器，型号为:S S3-S-case。L线和N线上都
加保险丝。地线与饭金机壳相连，增强抗干扰能力。

1万 · 2019-6-20 17:01

1万 · 2019-6-20 17:05

信号滤波方面，比较典型的时钟信号(晶振)电路、复位电路和接口电路。
时钟是系统的基准，在满足信号功能要求的情况下，时钟边沿应尽可能缓。在时钟
信号的输出端串联一个电阻R(此电阻同时可以实现匹配)，对地加一个电容，构成低
通滤波。
复位电路的功能是:1、保证系统可靠复位;2、具有一定的抗干扰能力。复位信号
的两个指标是:1、复位阂值电平;2、最小复位时间。复位发生的条件是:复位信号电
平达到复位阂值，且满足最小复位时间才会触发电路复位。复位信号的滤波方法有:1,
复位信号电平远离复位阂值;2、复位时间小于最小复位时间。
接口是设备内部与外部进行沟通的桥梁，同时也为噪声干扰提供了通道，常用接口
滤波电路如图12所示。

1万 · 2019-6-20 17:05

1万 · 2019-6-20 17:15

电阻起到限制干扰电流幅值的作用，电容为干扰电流泄放到地提供一个通路。图中
的地必须是低阻抗且无任何噪声的“干净地”，电阻可以换成磁珠。
EMC设计是一个庞大的系统工程，本文介绍了一些与本论文相关的一些基本内容，
不作深入研究。

1万 · 2019-6-20 17:17

1万 · 2019-6-20 17:18

1万 · 2019-6-20 17:19

1万 · 2019-6-20 17:20

从上图可以看出，整个MCU的供电分为以下几个区域:VDDA区域、VDD区域、
1.2V核心供电区和备份工作区域。VDD区域为数字电路工作区，包括FLASH存储区、
IO区、待机电路工作区以及电压转换区，根据MCU的手册，VDD的范围是1.8-3.6V
典型值为3.3V o 1.2V由VDD电压转换而来。
VDDA和VSSA分别与VDD和VSS (GND)连接。VDDA区域为设计到模拟电
路的区域，AD转换、DA转换、温度传感器、复位单元以及PLL锁相环单元。
在主电源掉电的情况下，VBAT通过内部开关切换，为实时时钟RTC区域和备份
寄存器区域供电。
为提高ADC转换的精度，ADC部分需要单独供电，并对其进行单独的滤波，同时
屏蔽PCB电路板上的噪声。
为让备份寄存器区域的内容在VDD断电的情况下仍然保持不变，可将VBAT管脚
连接到电池或者其它不间断的电压源。VBAT脚也给实时时钟单元RTC供电，使得VDD
掉电时RTC仍能正常工作。实现这个电源的转换工作是由内置在复位单元的掉电复位
C PDR)电路完成的。如果设计中不需要用到电池，需要将VBAT脚连接到VDD o
电压转换器在上电复位完成之后即使能。根据系统的工作模式，电压转化器可工作
在三个模式下:RUN运行模式，电压转换器提供全部1.2V工作区域的电源，包括内核、
存储单元和数据接口单元;STOP停止模式，电压转换器只为寄存器和SRAM部分提供
较低的电量;STANDBY待机模式，电压转换器掉电。除非那些与待机模式工作相关的
区域和备份的区域外，其它所有的寄存器和SRAM中的内容消失。
在设计中，每一个VDD管脚连一个用于去祸的100nF陶瓷电容;VDDA脚连接两
个去祸电容，100nF陶瓷电容加luF担电容或陶瓷电容;VREF+管脚与VDDA连接。
采取如下的保护措施以滤掉模拟电路的噪声:VDDA与VDD管脚之间加磁珠，
VREF+与VDDA管脚之间连一个电阻，典型值为47欧姆。

1万 · 2019-6-20 17:22

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1万 · 2019-6-20 17:30

前文己介绍，基本参数模块心电、血氧、血压以及二氧化碳模块、打印机、串口调
试分别与6个串行口通信;
AD转换方面，本系统需要采集电池的电压以及AC-DC的供电电压以告知用户设
备的供电情况;
DA转换方面，本系统采用DA信号驱动喇叭。功放选用TI的TPA200_SD 1。它是
一款1.1 W单声道D类音频功率放大IC。与其它功放的不同之处在于，它不需要输出
滤波器。它采用了全差动的拓补结构，从而具有较大的噪声抑制能力。
按键信号、飞梭信号等其它IO信号与MCU的GPIO相连。
FSMC总线控制上同时挂载LCD控制器RA887_5和外扩SRAM，外扩的SRAM用
于GUI缓存。
SPI接口，用到了两组，一组与外扩的SPI FLASH相连，另一组与以太网控制器
ws2oo相连。SPI Flash选择ATMEL公司的AT25DF321，用于存储各种设置数据以及监
护参数的趋势数据;以太网控制器选用WIZnet公司的W_5200 o W_5200具有如下一些
特点:整合了物理层、数据链路层、网络层和传输层这四层协议，通过硬件实现TCP/IP
协议栈「i6}。设计人员不需要专业的网络知识，就好像控制外部存储器一样，为工程师
提供了非常简单的网络接入方法。全硬件TC P/IP协议栈完全独立于主控MCU，降低了
主控MCU的负载，而且不需要移植非常繁琐的TCP/IP协议栈，产品的升级变得非常
方便。W_5200通过SPI接口与MCU进行连接就可以进行网络通信，如图18所示。

1万 · 2019-6-20 17:30

作为监护仪的重要组成部分之一，实现各个参数的趋势回顾，病人信息的存储和开
关机不丢失病人信息的功能。
数据存储系统分为内部存储部分和外部存储部分。
内部存储部分由内置的SPI Flash完成各类信息的存储。
外部存储部分有外置的USB设备(U盘)，完成趋势存储。
内部存储:SPI Flash空间利用如图19所示。

1万 · 2019-6-20 17:31

其中，病人设置信息占用:2_56字节;
参数趋势:每分钟存储一次趋势，单个趋势大小为80字节。存储时间为24小时;
总数1440个。占用Ox1C200字节。
血压趋势:每次测量进行一次记录，可记录_50组血压数据，每组数据占用32字节。
总占用字节数:0x640字节。
SPI Flash操作流程如图20所示。

1万 · 2019-6-20 17:32