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450011)

现有基于多探头的脉诊仪［1］，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1210062CN)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1220063CN))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，PC 机，气源和电磁阀等部件。附着在柔性仿生手上的阵列A/D 转换电路等传入单片机和PC 机，同时在PC 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［2－3］，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［4－5］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［6］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(SSR)驱动，SSR 内部的光电耦合器将输入和输出隔离。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。

图2 变压器隔离

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［2］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，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Ri形成一个RC 高通滤波器［3］。在系统测控通道中，采用RC 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 RC 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［4］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。

图4 电源设计

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50 Hz 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7812 和7805 及LC 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［4］，可采取如下方法: (1)在电源输入端跨接10 ～100 μF 的电解电容器;(2)在重要芯片电源输入端加0.01 μF 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“RESET”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10 ms 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［6］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［5］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［5］，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)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N 个采样数据xi(i =1，2，3，…，N)，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

值最小，则由一元函数求极值的原理可得:

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N 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N 较小时，平滑度低，但灵敏度高，实际应用中按具体情况选取N。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 Hz)，因为C 太大，采用硬件RC滤波常无法实现，这时可利用软件方法替代硬件RC滤波器以完成RC 低通滤波器的算法。一阶惯性数字滤波公式为:

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N 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PID 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PID 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RET、RETI、ACALL LJMP、JZ、JC、DJNZ 等)和某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SET、EA 等)之前插入两条NOP 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EPROM 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EPROM 空间、未使用的中断区、运行程序区和非EPROM 芯片空间等区域。

3.4 “看门狗”技术

若“乱飞”程序陷入一个临时构成的“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Watchdog (俗称“看门狗”)技术。在系统中利用AT89S52 自身所带的14 位计数器和看门狗复位寄存器(WDTRST)实现“看门狗”功能，正常运行时WDT 不会输出溢出信号，若程序出现异常，超过设定循环时间使WDT 溢出，这时RST 引脚将输出一个高电平脉冲，使AT89S52 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。

【1】张治国. 寸、关、尺三部脉象信号采集分析仪:中国，201020138627.0［P］.2010 －11 －10.

【2】郭一军，张迁.基于AT89S52 单片机智能仪器的抗干扰技术研究［J］.自动化仪表，2009，30(5):63 －65.

【3】刘庆刚，周传运.变频控制系统的干扰源分析及抗干扰措施［J］.机床与液压，2009，37(6):251 －253.

【4】孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:243 －246.

【5】赵子涛，吕国芳，崔皓，等.微机测控系统软件抗干扰技术研究［J］.水力发电，2007，33(5):94 －96.

【6】王亚平，黄云龙.阀门电动执行器中的抗干扰技术［J］.仪器仪表学报，2005，26(8):917 －918，923.