隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)已被越來(lái)越多地用于各種醫(yī)用儀器中，使醫(yī)用儀器的智能化程度和測(cè)量精度不斷地得到提高。但是與此同時(shí)也產(chǎn)生了新的問(wèn)題，其中就有干擾問(wèn)題。干擾輕則會(huì)影響輸出結(jié)果，使醫(yī)務(wù)人員無(wú)法進(jìn)行正確地判斷；重則將會(huì)使儀器無(wú)法正常工作。如何有效地抑制干擾是醫(yī)用儀器設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮和解決的問(wèn)題。心電信號(hào)是人體體表的微弱電信號(hào)，其檢測(cè)系統(tǒng)不僅要求能夠有效地去除測(cè)量信號(hào)中的噪聲干擾，還要求系統(tǒng)本身具有較好抗外界干擾的能力。本文將以自行設(shè)計(jì)的心電檢測(cè)系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)中所采用的一系列抗外界干擾措施。

　　1　系統(tǒng)外界干擾來(lái)源

　　心電檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1。其中，系統(tǒng)所采用的單片機(jī)是AT89C51，其它模塊包括復(fù)位電路、鍵盤(pán)、LCD等。

　　圖1　心電檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　一般地，檢測(cè)系統(tǒng)中的干擾主要來(lái)自于：電源干擾、信號(hào)通道干擾和空間輻射干擾。就心電檢測(cè)系統(tǒng)而言，信號(hào)通道干擾和電源干擾是引起系統(tǒng)干擾的主要原因。一旦干擾進(jìn)入系統(tǒng)的模擬信號(hào)輸入通道，疊加在有用信號(hào)之上，將會(huì)使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是對(duì)于心電這樣的微弱信號(hào)，影響更為嚴(yán)重；另外，在使用的市電供電電網(wǎng)中，正常的50Hz正弦波形上疊加有許多高電壓的尖峰脈沖信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作，可對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生較大干擾。因此如何采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)消除干擾源，抑制耦合通道，減弱電路對(duì)噪聲干擾的敏感性，是設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)特別要注意的問(wèn)題。通常需要采取硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。

　　2　硬件抗干擾措施

　　2.1　電源抗干擾的措施

　　系統(tǒng)的供電電源可采用圖2所示方式，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓(可選擇抗干擾能力強(qiáng)的開(kāi)關(guān)電源)、π濾波電路、直流穩(wěn)壓電路后，可以在一定程度上抑制瞬態(tài)干擾，去除高頻干擾。此外，可在每個(gè)集成芯片的電源輸入端并接一個(gè)高頻電容(一般為0.01～0.1μF)，以減小集成芯片對(duì)電源的影響。

　　圖2　電源電路

　　2.2　接地技術(shù)

　　本系統(tǒng)中，模擬電路和數(shù)字電路共存，因此應(yīng)當(dāng)將所有的模擬地和數(shù)字地分別相連，最后將電路中的模擬地和數(shù)字地與電源地一點(diǎn)匯集。同時(shí)用地線將模擬區(qū)與數(shù)字區(qū)隔離，這樣可避免模擬電路和數(shù)字電路通過(guò)地線回路互相干擾。

　　2.3　濾波電路

　　對(duì)于檢測(cè)信號(hào)特性已知的系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)合適的濾波電路，以消除部分干擾信號(hào)。如在該系統(tǒng)中，可以設(shè)計(jì)一雙T型濾波電路[1]，以去除信號(hào)中的50Hz工頻干擾。

　　2.4　PCB板布線抗干擾設(shè)計(jì)

　　PCB板布局時(shí)，應(yīng)盡可能將相互關(guān)聯(lián)的器件安排在一起；盡可能將發(fā)熱量較大的器件如時(shí)鐘發(fā)生器等放于電路板散熱條件較好的位置，以便于散熱。PCB板布線時(shí)，電源線和地線應(yīng)盡量加粗；盡可能使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這將有助于增強(qiáng)抗噪聲能力；同時(shí)要注意高頻電容的布線，應(yīng)盡量靠近電源端，若遠(yuǎn)離的話，將等于加大了高頻電容的等效串聯(lián)電阻，影響濾波效果。

　　另外，該系統(tǒng)是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)并存的系統(tǒng)，因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)字、模擬信號(hào)分區(qū)。同時(shí)，由于A/D和AT89C51的TTL電平相對(duì)于心電信號(hào)是強(qiáng)信號(hào)，故該系統(tǒng)是強(qiáng)信號(hào)與弱電信號(hào)并存的系統(tǒng)，因此系統(tǒng)布局時(shí)要考慮如何避免強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的干擾，這就要在兩種信號(hào)線的布局、走向上加以區(qū)別。

　　3　軟件抗干擾措施

　　在單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)中，軟件抗干擾具有方法簡(jiǎn)單、使用靈活、不需要或需要較少硬件資源等特點(diǎn)，它是硬件抗干擾技術(shù)的有效輔助手段，可起到事半功倍的效果。采用的方法有數(shù)字濾波、冗余指令、軟件陷阱、“看門(mén)狗”等技術(shù)。

　　3.1　數(shù)字濾波

　　數(shù)字濾波器是利用CPU強(qiáng)大的計(jì)算運(yùn)算功能，通過(guò)某種數(shù)值運(yùn)算，達(dá)到改變輸入信號(hào)中所含頻率分量的相對(duì)比例、或?yàn)V除某些頻率分量的目的[2]。軟件濾波器可有效地消除疊加在模擬輸入信號(hào)上噪聲，但選取何種方法要根據(jù)信號(hào)特性進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)為心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，心電信號(hào)的有用頻帶為0.05～100Hz，通常使用的數(shù)字濾波方法有：算術(shù)平均濾波法、數(shù)字有源濾波法。

　　算術(shù)平均濾波法，即對(duì)任一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次(可選3次)，計(jì)算其平均值，并以其平均值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。該方法有利于削弱瞬態(tài)干擾對(duì)有用信號(hào)的影響。

　　數(shù)字有源濾波法，根據(jù)系統(tǒng)有用信號(hào)與噪聲信號(hào)的特性，設(shè)計(jì)合適的有源濾波器。對(duì)于本系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)低通濾波器去除掉基線干擾；高通濾波器去除掉大于100Hz的頻率成分；帶阻濾波器濾去50Hz工頻干擾等。

　　3.2　冗余指令

　　在單片機(jī)的指令集中，大部分是單字節(jié)指令，只有少數(shù)是雙字節(jié)或三字節(jié)指令。單片機(jī)中的程序是按儲(chǔ)存空間中機(jī)器碼排列的順序一一執(zhí)行的，它自身并不能識(shí)別何為操作碼何為操作數(shù)。因此，若程序跑飛到單字節(jié)指令上時(shí)，程序還可以正常運(yùn)行；若程序跑飛到多字節(jié)指令的操作數(shù)上時(shí)，程序運(yùn)行將出錯(cuò)，甚至死機(jī)。此時(shí)可以利用冗余指令技術(shù)，一定程度上可避免上述情況，即重復(fù)地執(zhí)行某些指令，以確保程序的正確執(zhí)行。一般常用的冗余指令有：在程序跳轉(zhuǎn)指令前加NOP指令，如LJMP、AJMP、SJMP等；在位操作指令后加NOP指令，如SETB、CLR、CPL等；以及重復(fù)地執(zhí)行決定程序順序的指令，如RETI等。

　　3.3　軟件陷阱

　　當(dāng)程序運(yùn)行受干擾，跑飛到非程序區(qū)時(shí)，可使用軟件陷阱技術(shù)，強(qiáng)行執(zhí)行一段出錯(cuò)處理程序(Trap)，從而重新正確執(zhí)行程序。常用的軟件陷阱程序如下：

　　NOP；

　　NOP；

　　LJMP Trap；

　　它通常被安排在未使用的程序存儲(chǔ)區(qū)。

　　3.4　“看門(mén)狗”軟件

　　單片機(jī)“看門(mén)狗”(Watchdog)軟件即利用其定時(shí)器中斷功能監(jiān)視程序的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)PC指針因受到某種干擾而失控，程序進(jìn)入“死循環(huán)”時(shí)，冗余指令和軟件陷阱技術(shù)都不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，系統(tǒng)將完全陷入癱瘓。此時(shí)可以使用“看門(mén)狗”軟件避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，它的設(shè)計(jì)思路如下：首先設(shè)定定時(shí)器初值，一般為定時(shí)器最大定時(shí)時(shí)間與稍大于最長(zhǎng)循環(huán)程序運(yùn)行一周時(shí)間的差值TP，程序正常運(yùn)行一周后，重新設(shè)定定時(shí)器的初值為T(mén)P，若程序運(yùn)行出錯(cuò)，定時(shí)器將溢出產(chǎn)生定時(shí)中斷，此時(shí)可進(jìn)行出錯(cuò)處理，軟件使系統(tǒng)復(fù)位，即執(zhí)行指令LJMP 0000H。

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐表明，若設(shè)計(jì)心電檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，考慮到上述硬件和軟件抗干擾技術(shù)，可以明顯地提高系統(tǒng)抗干擾能力，取得事半功倍，令人滿意的效果。