隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機已被越來越多地用于各種醫(yī)用儀器中，使醫(yī)用儀器的智能化程度和測量精度不斷地得到提高。但是與此同時也產(chǎn)生了新的問題，其中就有干擾問題。干擾輕則會影響輸出結(jié)果，使醫(yī)務(wù)人員無法進行正確地判斷；重則將會使儀器無法正常工作。如何有效地抑制干擾是醫(yī)用儀器設(shè)計過程中必須考慮和解決的問題。心電信號是人體體表的微弱電信號，其檢測系統(tǒng)不僅要求能夠有效地去除測量信號中的噪聲干擾，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)計的心電檢測系統(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)外界干擾來源

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

　　圖1　心電檢測系統(tǒng)簡圖

　　一般地，檢測系統(tǒng)中的干擾主要來自于：電源干擾、信號通道干擾和空間輻射干擾。就心電檢測系統(tǒng)而言，信號通道干擾和電源干擾是引起系統(tǒng)干擾的主要原因。一旦干擾進入系統(tǒng)的模擬信號輸入通道，疊加在有用信號之上，將會使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是對于心電這樣的微弱信號，影響更為嚴重；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，這些信號會嚴重影響系統(tǒng)的正常工作，可對心電信號產(chǎn)生較大干擾。因此如何采取適當?shù)姆椒▉硐蓴_源，抑制耦合通道，減弱電路對噪聲干擾的敏感性，是設(shè)計該系統(tǒng)時特別要注意的問題。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的開關(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，可在每個集成芯片的電源輸入端并接一個高頻電容(一般為0.01～0.1μF)，以減小集成芯片對電源的影響。

　　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)字地與電源地一點匯集。同時用地線將模擬區(qū)與數(shù)字區(qū)隔離，這樣可避免模擬電路和數(shù)字電路通過地線回路互相干擾。

　　2.3　濾波電路

　　對于檢測信號特性已知的系統(tǒng)，可設(shè)計合適的濾波電路，以消除部分干擾信號。如在該系統(tǒng)中，可以設(shè)計一雙T型濾波電路[1]，以去除信號中的50Hz工頻干擾。

　　2.4　PCB板布線抗干擾設(shè)計

　　PCB板布局時，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，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，這將有助于增強抗噪聲能力；同時要注意高頻電容的布線，應(yīng)盡量靠近電源端，若遠離的話，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)是模擬信號和數(shù)字信號并存的系統(tǒng)，因此要實現(xiàn)數(shù)字、模擬信號分區(qū)。同時，由于A/D和AT89C51的TTL電平相對于心電信號是強信號，故該系統(tǒng)是強信號與弱電信號并存的系統(tǒng)，因此系統(tǒng)布局時要考慮如何避免強信號對弱信號的干擾，這就要在兩種信號線的布局、走向上加以區(qū)別。

　　3　軟件抗干擾措施

　　在單片機檢測系統(tǒng)中，軟件抗干擾具有方法簡單、使用靈活、不需要或需要較少硬件資源等特點，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、“看門狗”等技術(shù)。

　　3.1　數(shù)字濾波

　　數(shù)字濾波器是利用CPU強大的計算運算功能，通過某種數(shù)值運算，達到改變輸入信號中所含頻率分量的相對比例、或濾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上噪聲，但選取何種方法要根據(jù)信號特性進行選擇。本系統(tǒng)為心電信號檢測系統(tǒng)，心電信號的有用頻帶為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，即對任一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次(可選3次)，計算其平均值，并以其平均值作為該點的采樣結(jié)果。該方法有利于削弱瞬態(tài)干擾對有用信號的影響。

　　數(shù)字有源濾波法，根據(jù)系統(tǒng)有用信號與噪聲信號的特性，設(shè)計合適的有源濾波器。對于本系統(tǒng)，可以設(shè)計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。單片機中的程序是按儲存空間中機器碼排列的順序一一執(zhí)行的，它自身并不能識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，程序還可以正常運行；若程序跑飛到多字節(jié)指令的操作數(shù)上時，程序運行將出錯，甚至死機。此時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

　　當程序運行受干擾，跑飛到非程序區(qū)時，可使用軟件陷阱技術(shù)，強行執(zhí)行一段出錯處理程序(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區(qū)。

　　3.4　“看門狗”軟件

　　單片機“看門狗”(Watchdog)軟件即利用其定時器中斷功能監(jiān)視程序的運行狀態(tài)。當PC指針因受到某種干擾而失控，程序進入“死循環(huán)”時，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。此時可以使用“看門狗”軟件避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，它的設(shè)計思路如下：首先設(shè)定定時器初值，一般為定時器最大定時時間與稍大于最長循環(huán)程序運行一周時間的差值TP，程序正常運行一周后，重新設(shè)定定時器的初值為TP，若程序運行出錯，定時器將溢出產(chǎn)生定時中斷，此時可進行出錯處理，軟件使系統(tǒng)復(fù)位，即執(zhí)行指令LJMP 0000H。

　　4　結(jié)語

　　經(jīng)驗和實踐表明，若設(shè)計心電檢測系統(tǒng)時，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。