医疗设备用电电网波动检测及远程自动报警系统的研究与设计

向 逾，种银保，袁巧洪

医疗设备用电电网波动检测及远程自动报警系统的研究与设计

向 逾，种银保，袁巧洪

目的：设计一种医疗设备所属电网波动以及自动报警监控系统，以实现医疗机构用电实时自动监控和预警提示的智能化、安全性管理。方法：利用互感传感器电路采集电网信号，综合采用高耐压高精度AD转换电路、时钟电路、回显电路及GSM短信模块电路，围绕单片机进行软件编程并开通网络信道。结果：通过对电网信号的检测、回看和短信报警，可以掌握最近的电网波动情况、浪涌高峰的提前预警和处置。结论：该系统配置成本较低，集成度较高，稳定性较好，可对精密医疗设备电网环境进行监控和预警。

医用电网；波动；监测；报警；单片机

0 引言

随着医疗设备的细分和精密设计，许多高端自动化设备相继投入现代化医疗机构，从而，医疗单位也对电网质量的要求越来越高。据统计，医疗机构一般每年要遭受10～30次与电网质量问题有关的困扰，电网波动或闪变已经成为严重影响医院正常运行的主要因素之一，少则烧掉保险，多则烧毁设备[1-2]，甚至几秒钟就能造成很大的损失，同时也可能对正在做检查的患者形成安全性威胁。所以，必须对电网波动进行有效监控和预警，以便工作人员及时处置，避免人身和财产损失。

目前，市场上的电网检测设备存在一些不足，如：采用计算机作为现场工具，导致成本提高；采用低耐压纯硬件电路或低精度低运算率的控制器，无法适应电力系统的要求等[3-4]。针对医疗设备所开发的电网检测系统还没有相关应用产品。

电力系统的电压波动主要由具有冲击性功率的负荷引起，如变频调速装置、炼钢电弧炉等[5]。这些不平衡、非线性的冲击性负荷周期性或随机大幅度波动，当波动电流流过供电线路时，在其阻抗上变动的压降导致同一电网上其他用户电压也以相同的频率周期波动，这种电压有规律或者随机变化就称为电压波动[6]。这种波动的范围很大，最大能够达到±30%。这样的电网波动对于医疗设备来说，容易造成影像画面不清晰、光能设备闪烁、数字电路击穿、大面积电路板烧毁等严重问题，甚至引发高能输出，将正在做治疗或检查的患者弄伤。为此，及时跟踪电网波动，了解近期电网环境和迅速维保处置，对医疗工作的正常及安全开展有着积极的意义。

本文针对电压波动给出指定阈值，如果某段时间内波动超过阈值次数较多或者瞬间浪涌超过另一阈值，则迅速发送短信到负责人手机，满足无缝对接。

1 电压波动检测的硬件设计

1.1 电压波动

监控电网环境，首先必须检测电网的波动电压，电压是影响设备的重要因素，因此波动电压信号的检出是关键。通常将波动电压看作以工频电压为载波信号的电压波动分量调制的调幅波，其检测方法可用大功率载波调制与解调的方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调制信号，最后将电压波动分量与工频载波相分离，用带通滤波器得出波动分量[7]。以前，经常采用的是感应方式测量电力参数，但只能测到电能数据。如今，可以把电网的电流、电压等模拟信号变成数字信号，直接计算出电压、电流的有效值，继而分析出电网的功率因素、谐波分量，以及用户的负荷曲线等[8]。电压波动实际上是一系列电压变动或偏差，其值为电压均方根值的2个极值Umax和Umin之差ΔU，常以其额定电压UN的百分数表示其相对百分值，即

1.2 总体思路

本系统采用数字和模拟电路结合的方法，为了更好地用时序控制功能电路的工作，采用单片机作为核心控制单元，其总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

1.3 电压互感器电路

系统中，采用高精度的CT/PT单元作为传感器。检测系统使用精密电压互感器（SPT204A）和电流互感器（SCT254AK）进行工作，同时还要保证其具有较小的相移和较高的线性度。一般相移应小于5′，精度应小于0.1%，线性度小于0.1%。SPT204A是电流型电压互感器，频率响应20～50 kHz，尤其适合工频信号，输出电压0～8 V，补偿后的相移小于5′。

如图2所示，Rs为限流电阻，选取Rs使得原边电流为2 mA，则副边会感应出一个相同的电流。通过OP27的放大作用，根据U0=2 mA×（R1+R3），可调节反馈电阻R3和精密微调电阻R1来得到输出电压。调节精密电阻R2及电容C3用于补偿相移。C1是几百至1 000 pF的小电容，用于滤波。C2起抗干扰作用，不宜超过400 pF。首先可确定Rs=220 V/2 mA= 110 kΩ，此时初级额定电流I=220 V/（110+0.11）kΩ= 1.95 mA（0.11 kΩ为SPT204A的电阻），R3为1.5 kΩ、0.25W，R1为150Ω，C3可选0.05μF，R2可取200kΩ。

图2 电压输入互感电路

1.4 电流互感器电路

除监测电压外，检测电流变化也是可靠预警的组成部分。SCT254AK电流互感器输入额定电流为5 A，输出电流为2.5 mA。它与电压互感器用法相似，但其原、副边电流比为2 000∶1，所以，其初级（原边）无需限流电阻。如图3所示，它需要将电流信号变换成电压信号，确定具体的元件参数如下：反馈电阻R6=3 V/2.5 mA=1 200 Ω，另外串联一个200 Ω的可调R4进行微调，已达到所需精度要求。由于一般的电容不能微调，需补偿电阻R5来达到所需补偿精度。因为互感器上标注了未补偿前的相移值，由此可计算出C8和R5的值。如选C8为0.022 μF，则R5= 95×（22×R6/Fc-1）1/2。Fc为互感器上标注的相移值，例如C8选0.033μF，Fc为15，则R5约为131kΩ。

图3 电流输入互感电路

运放OP27在其内部反相端和同相端之间有2个反向并联的二极管，当2个互感器输入端有高能量冲击时，二极管起到了钳位阈值的作用，可以避免受到瞬态浪涌的影响。

1.5 模拟滤波器

抗混叠滤波器主要用于滤除高频成分，使输入AD转换器的信号为有限带宽信号，并且以较小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制了这个频带以外的信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰[9-10]。对于单片机（ATMEGA64L）自带的10位AD半频采样率，传统的模拟滤波器可滤除高于采样率fs一半的高频，这就要求抗混叠滤波器的带通波动小于0.15%，但模拟滤波器很难实现。故电网监测系统一般采用模拟低通滤波器和数字式滤波器结合的形式[11]。这种方法的优点：一是提高抗混叠效果，减少单纯模拟滤波器的非平直通带特性带来的测量误差；二是由于采用模拟数字结合式滤波，对模拟混叠滤波器的阻带衰耗指标要求不高，实现起来较为容易。

所以，设计0～2 230 Hz模拟低通滤波器，其可允许2 230～3 780 Hz作为过渡带，而且只要保证通频带中0～920 Hz内有较好的相位和幅度特性即可满足要求。因此，采用三阶的RC低通抗混叠滤波器，电路如图4所示。根据截止频率取截止频率为2 250 Hz（C1=C2=0.01 μF，R3=R4= 8.8 kΩ），通带增益A0=1+R1/R2=1+10/10=2（R1=R2= 10 kΩ）。

图4 二阶低通滤波器

1.6 时钟电路

系统每隔5 min记录一次电压值，并没有采用单片机定时器中断自动计算的方式。因单片机除了控制传感器和AD转换之外，还需要响应按键中断和软件编程中断，在时间计算上容易随着机器指令周期变慢，所以，使用可编程的日历时钟芯片美国DALLAS公司的DS1302。它操控简单，内部还有闰年补偿和RAM存储空间，接口简单，工作电压范围宽、功耗低，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。如图5所示，采用普通32.768 kHz晶振，与单片机之间通过I/O脚和SCLK脚传送同步串行数据，根据软件需要，单片机向它发送请求即可返回所需数值，将当前的日期和时间反馈。它只需要3根口线即可工作：CE引脚，高电平控制读写数据、SCLK串行时钟引脚，控制数据的读和写、I/O双向串行数据引脚。Vcc2为备用电源，外接32.768 kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。

1.7 短信报警电路

如果发现有高于预警电压的情况，则系统会发送指定信息给指定号码，以便维修人员及时响应。如图6所示，TC35新版西门子GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3～4.8 V，电流消耗：休眠状态为3.5 mA，空闲状态为25 mA，发射状态为300 mA（平均），峰值为2.5 A；可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2 W和1 W，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3 V/1.8 V，TC35的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，可选波特率为0.3～115 kbit/s，自动波特率为1.2～115 kbit/s。它支持Text和PDU格式的短消息（short message service，SMS），可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。作为TC35的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

图5 DS1302电路

图6 TC35的使用连接和结构

值得注意的是，模块的供电电压如果低于3.3 V会自动关机。同时，模块在发射时，电流峰值可高达2 A。在此电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4 V。所以，该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC连接线的电阻必需小于200 mΩ。单片机通过2根I/O口控制TC35的开关机、复位等，通过串口与TC35进行数据通信，通信速率为9 600 kbit/s，采用8位异步通信方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。TC35模块输入输出的TTL正电平逻辑不是5 V，而是2.9 V，因此必要时加端口保护。另外，需要联系通信服务商开通双向数据包业务，配送指定号码。基于GSM手机模块的短信平台只需要配合SIM卡使用，以取代繁琐的短消息专线接入，是目前应用最广泛的通信方案之一。

部分程序如下：

//AT指令的定义

char code AT_Tc35[]="AT+";//连机

char code Bps_Tc35[]="IPR=9600";//波特率

char code Text_Tc35[]="CMGF=1";//文本模式

char code Read_Tc35[]="CMGR=";//读信息

char code Erase_Tc35[]="CMGD=";//删除信息

char code Send_Tc35[]="CMGS=";//发送信息

char neirong[i]="alarm about high voltage";//发送短信内容字符串

//模式设置

void UART_Init(void)

{SCON=0×50;//01010000b=＞1模式 scon, #11011000b;

ES=l;}

//发短信的过程

ES=0;mingling(8,AT7);for(i=0;i＜11;i++)senddata(neirong[i]);senddata(0×0d);delaymm(100);

senddata(HH+0×30);senddata(mm+0×30);//发送数据内容

senddata(0×20);senddata(0×1a);senddata(0×0d); ES=1;//串口中断可以不关，一般不会冲突。

1.8 其他单元电路

单片机在电路中主要负责控制显示、按键响应、AD转换、传感器供电（定时触发）、控制短信TC35模块收发、控制内部2 048字节EEPROM和DS1302的读写。其中，用于存储时间的EEPROM采用单字节的“char”变量类型来表示日、月、年、时、分一共5个数据，则一次存储需要5个字节。每5min存储1次，则1 d需要60/5×24×5=1 440字节，所以，系统可以保存接近2 d的数据并回显。数据流程如图7所示。

2 结果分析

通过9针串口数据线，将程序和数据通信协议烧录到单片机内，同时设置单片机UART初始化波特率为9 600 kbit/s，与常用信道和GSM模块同频；将互感传感器套接在电力线入口上，单片机上电运行，电源灯亮。在移动通信公司开通指定SIM卡号码并插入，只需要把用户信息加上目的地址发送到相应的短信服务中心（SMSC）即可，通过服务中心存储转发给最终信宿（维护工程师等）。对医院内使用频率较高的B超机进行测试，时间1 d，测试采样率为1次/10min，将电压阈值设置到230 V，观察电压波动情况和报警短信，结果如图8所示。每当实际电压高于设置阈值时，电压波动报警短信就会发送到指定电工手机上，最后可以以曲线回看的方式了解最近发生的电压波动情况。本系统架构简单，使用方便，展收方便快捷。根据上述程序指定内容，信宿手机显示“alarm about high voltageHHmm”。

图7 系统数据流程

图8 采集电压波动图示例（测试时间段内11：30处超出阈值）

3 结语

系统既有模拟又有数字电路，还有高压吸收检测传感器，所以，必须考虑它们之间的电磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）问题。有几个地方需要注意：

（1）电源部分的EMC设计。为了避免引入外界干扰噪声和电源线上的压降噪声，需采用容值不同的电容并联滤波，容值相差10倍左右即可。同时，在印制电路板布线时，尽量加大电源铜箔宽度，减小环路电阻[12]。

（2）去耦部分设计。电源输入跨接一个100 μF及以上的电解电容，同时为每个集成IC的Vcc处放置一个0.01μF的陶瓷电容，这种器件高频阻抗很小，在0.5～20 MHz内小于1 Ω，且漏电流可在0.5 μA以下。

（3）滤波和隔离。需要隔离模拟量和数字量的电器连接，内外部电路接口隔离或者印制电路板电路隔离[13]；电网的高次谐波幅度会低于基波的幅度，抗混叠滤波器特性会产生较大误差，可将电压和电流

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）信号以倍频6.4 kHz进行采样，然后用数字滤波器来滤除形成混叠的高频成分，减少对抗混叠滤波器特性要求的依赖。

本系统在升级设计中还可以考虑如下几个方面的问题：

（1）可以对谐波进行时域和频域分析，同时可使用备用电源切换；扩容EEPROM使存储量更大。

（2）根据不同用电环境和需求，系统可考虑增设瞬态断电保护功能和无功补偿[14]。

（3）利用单独的高速采样芯片和精准的逻辑判断，可监测电压瞬间骤变等持续时间更短的跳变现象。

总之，作为一个用电大户和拥有众多精密仪器的单位，医疗机构应该对电网环境进行有效监测，以保护自身的设备安全和患者安全。

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（收稿：2014-05-14 修回：2014-08-05）

Research and design of power grid fluctuation detection and remote automatic alarm system for medical equipment

XIANG Yu1,CHONG Yin-bao1,YUAN Qiao-hong2
（1.Department of Equipment,Xinqiao Hospital of the Third Military Medical University,Chongqing 400037,China;
2.Department of Nephrology,Xinqiao Hospital of the Third Military Medical University,Chongqing 400037,China）

ObjectiveTo design a power grid fluctuation detection and remote automatic alarm system for medical equipment in order to realize automatic alarming at real time and early warning for monitoring power consumption in medical facilities.MethodsMutual inductance tranducer circuit was used to collect the signals of power grid.SCM-based software programming was carried out to develop the network channel with DA conversion circuit with high voltage resistance and high precision,clock circuit,redisplay circuit and GSM SMS module circuit.ResultsDetection,redisplay and SMS warning of the grid signals might make clear the fluctuation of the power grid and contribute to the early warning and response for high power consumption.ConclusionThe system behaves well in low cost,integration and stability,and can be used for the monitoring and early warning of the power grid environment of precision medical equipment.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：11-14，18]

medical power grid;fluctuation;monitoring;alarming;microchip

R318；TM76

A

1003-8868（2015）01-0011-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.011

向 逾（1982—），男，工程师，主要从事生物医学信息检测与处理，医疗器械开发、维修和检测方面的研究工作，E-mail：xiangyu0719@ 163.com。

400037重庆，第三军医大学新桥医院设备科（向 逾，种银保），肾内科（袁巧洪）

种银保，E-mail：chongyinbao@163.com