醫(yī)療設備用電電網(wǎng)波動檢測及遠程自動報警系統(tǒng)的研究與設計

向 逾，種銀保，袁巧洪

醫(yī)療設備用電電網(wǎng)波動檢測及遠程自動報警系統(tǒng)的研究與設計

向 逾，種銀保，袁巧洪

目的：設計一種醫(yī)療設備所屬電網(wǎng)波動以及自動報警監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)醫(yī)療機構用電實時自動監(jiān)控和預警提示的智能化、安全性管理。方法：利用互感傳感器電路采集電網(wǎng)信號，綜合采用高耐壓高精度AD轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路、回顯電路及GSM短信模塊電路，圍繞單片機進行軟件編程并開通網(wǎng)絡信道。結(jié)果：通過對電網(wǎng)信號的檢測、回看和短信報警，可以掌握最近的電網(wǎng)波動情況、浪涌高峰的提前預警和處置。結(jié)論：該系統(tǒng)配置成本較低，集成度較高，穩(wěn)定性較好，可對精密醫(yī)療設備電網(wǎng)環(huán)境進行監(jiān)控和預警。

醫(yī)用電網(wǎng)；波動；監(jiān)測；報警；單片機

0 引言

隨著醫(yī)療設備的細分和精密設計，許多高端自動化設備相繼投入現(xiàn)代化醫(yī)療機構，從而，醫(yī)療單位也對電網(wǎng)質(zhì)量的要求越來越高。據(jù)統(tǒng)計，醫(yī)療機構一般每年要遭受10～30次與電網(wǎng)質(zhì)量問題有關的困擾，電網(wǎng)波動或閃變已經(jīng)成為嚴重影響醫(yī)院正常運行的主要因素之一，少則燒掉保險，多則燒毀設備[1-2]，甚至幾秒鐘就能造成很大的損失，同時也可能對正在做檢查的患者形成安全性威脅。所以，必須對電網(wǎng)波動進行有效監(jiān)控和預警，以便工作人員及時處置，避免人身和財產(chǎn)損失。

目前，市場上的電網(wǎng)檢測設備存在一些不足，如：采用計算機作為現(xiàn)場工具，導致成本提高；采用低耐壓純硬件電路或低精度低運算率的控制器，無法適應電力系統(tǒng)的要求等[3-4]。針對醫(yī)療設備所開發(fā)的電網(wǎng)檢測系統(tǒng)還沒有相關應用產(chǎn)品。

電力系統(tǒng)的電壓波動主要由具有沖擊性功率的負荷引起，如變頻調(diào)速裝置、煉鋼電弧爐等[5]。這些不平衡、非線性的沖擊性負荷周期性或隨機大幅度波動，當波動電流流過供電線路時，在其阻抗上變動的壓降導致同一電網(wǎng)上其他用戶電壓也以相同的頻率周期波動，這種電壓有規(guī)律或者隨機變化就稱為電壓波動[6]。這種波動的范圍很大，最大能夠達到±30%。這樣的電網(wǎng)波動對于醫(yī)療設備來說，容易造成影像畫面不清晰、光能設備閃爍、數(shù)字電路擊穿、大面積電路板燒毀等嚴重問題，甚至引發(fā)高能輸出，將正在做治療或檢查的患者弄傷。為此，及時跟蹤電網(wǎng)波動，了解近期電網(wǎng)環(huán)境和迅速維保處置，對醫(yī)療工作的正常及安全開展有著積極的意義。

本文針對電壓波動給出指定閾值，如果某段時間內(nèi)波動超過閾值次數(shù)較多或者瞬間浪涌超過另一閾值，則迅速發(fā)送短信到負責人手機，滿足無縫對接。

1 電壓波動檢測的硬件設計

1.1 電壓波動

監(jiān)控電網(wǎng)環(huán)境，首先必須檢測電網(wǎng)的波動電壓，電壓是影響設備的重要因素，因此波動電壓信號的檢出是關鍵。通常將波動電壓看作以工頻電壓為載波信號的電壓波動分量調(diào)制的調(diào)幅波，其檢測方法可用大功率載波調(diào)制與解調(diào)的方法，用與載波信號同頻同相的周期信號乘以被調(diào)制信號，最后將電壓波動分量與工頻載波相分離，用帶通濾波器得出波動分量[7]。以前，經(jīng)常采用的是感應方式測量電力參數(shù)，但只能測到電能數(shù)據(jù)。如今，可以把電網(wǎng)的電流、電壓等模擬信號變成數(shù)字信號，直接計算出電壓、電流的有效值，繼而分析出電網(wǎng)的功率因素、諧波分量，以及用戶的負荷曲線等[8]。電壓波動實際上是一系列電壓變動或偏差，其值為電壓均方根值的2個極值Umax和Umin之差ΔU，常以其額定電壓UN的百分數(shù)表示其相對百分值，即

1.2 總體思路

本系統(tǒng)采用數(shù)字和模擬電路結(jié)合的方法，為了更好地用時序控制功能電路的工作，采用單片機作為核心控制單元，其總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

1.3 電壓互感器電路

系統(tǒng)中，采用高精度的CT/PT單元作為傳感器。檢測系統(tǒng)使用精密電壓互感器（SPT204A）和電流互感器（SCT254AK）進行工作，同時還要保證其具有較小的相移和較高的線性度。一般相移應小于5′，精度應小于0.1%，線性度小于0.1%。SPT204A是電流型電壓互感器，頻率響應20～50 kHz，尤其適合工頻信號，輸出電壓0～8 V，補償后的相移小于5′。

如圖2所示，Rs為限流電阻，選取Rs使得原邊電流為2 mA，則副邊會感應出一個相同的電流。通過OP27的放大作用，根據(jù)U0=2 mA×（R1+R3），可調(diào)節(jié)反饋電阻R3和精密微調(diào)電阻R1來得到輸出電壓。調(diào)節(jié)精密電阻R2及電容C3用于補償相移。C1是幾百至1 000 pF的小電容，用于濾波。C2起抗干擾作用，不宜超過400 pF。首先可確定Rs=220 V/2 mA= 110 kΩ，此時初級額定電流I=220 V/（110+0.11）kΩ= 1.95 mA（0.11 kΩ為SPT204A的電阻），R3為1.5 kΩ、0.25W，R1為150Ω，C3可選0.05μF，R2可取200kΩ。

圖2 電壓輸入互感電路

1.4 電流互感器電路

除監(jiān)測電壓外，檢測電流變化也是可靠預警的組成部分。SCT254AK電流互感器輸入額定電流為5 A，輸出電流為2.5 mA。它與電壓互感器用法相似，但其原、副邊電流比為2 000∶1，所以，其初級（原邊）無需限流電阻。如圖3所示，它需要將電流信號變換成電壓信號，確定具體的元件參數(shù)如下：反饋電阻R6=3 V/2.5 mA=1 200 Ω，另外串聯(lián)一個200 Ω的可調(diào)R4進行微調(diào)，已達到所需精度要求。由于一般的電容不能微調(diào)，需補償電阻R5來達到所需補償精度。因為互感器上標注了未補償前的相移值，由此可計算出C8和R5的值。如選C8為0.022 μF，則R5= 95×（22×R6/Fc-1）1/2。Fc為互感器上標注的相移值，例如C8選0.033μF，F(xiàn)c為15，則R5約為131kΩ。

圖3 電流輸入互感電路

運放OP27在其內(nèi)部反相端和同相端之間有2個反向并聯(lián)的二極管，當2個互感器輸入端有高能量沖擊時，二極管起到了鉗位閾值的作用，可以避免受到瞬態(tài)浪涌的影響。

1.5 模擬濾波器

抗混疊濾波器主要用于濾除高頻成分，使輸入AD轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬信號，并且以較小的衰減讓有效的頻率信號通過，而抑制了這個頻帶以外的信號，從而防止信號的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾[9-10]。對于單片機（ATMEGA64L）自帶的10位AD半頻采樣率，傳統(tǒng)的模擬濾波器可濾除高于采樣率fs一半的高頻，這就要求抗混疊濾波器的帶通波動小于0.15%，但模擬濾波器很難實現(xiàn)。故電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)一般采用模擬低通濾波器和數(shù)字式濾波器結(jié)合的形式[11]。這種方法的優(yōu)點：一是提高抗混疊效果，減少單純模擬濾波器的非平直通帶特性帶來的測量誤差；二是由于采用模擬數(shù)字結(jié)合式濾波，對模擬混疊濾波器的阻帶衰耗指標要求不高，實現(xiàn)起來較為容易。

所以，設計0～2 230 Hz模擬低通濾波器，其可允許2 230～3 780 Hz作為過渡帶，而且只要保證通頻帶中0～920 Hz內(nèi)有較好的相位和幅度特性即可滿足要求。因此，采用三階的RC低通抗混疊濾波器，電路如圖4所示。根據(jù)截止頻率取截止頻率為2 250 Hz（C1=C2=0.01 μF，R3=R4= 8.8 kΩ），通帶增益A0=1+R1/R2=1+10/10=2（R1=R2= 10 kΩ）。

圖4 二階低通濾波器

1.6 時鐘電路

系統(tǒng)每隔5 min記錄一次電壓值，并沒有采用單片機定時器中斷自動計算的方式。因單片機除了控制傳感器和AD轉(zhuǎn)換之外，還需要響應按鍵中斷和軟件編程中斷，在時間計算上容易隨著機器指令周期變慢，所以，使用可編程的日歷時鐘芯片美國DALLAS公司的DS1302。它操控簡單，內(nèi)部還有閏年補償和RAM存儲空間，接口簡單，工作電壓范圍寬、功耗低，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。如圖5所示，采用普通32.768 kHz晶振，與單片機之間通過I/O腳和SCLK腳傳送同步串行數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件需要，單片機向它發(fā)送請求即可返回所需數(shù)值，將當前的日期和時間反饋。它只需要3根口線即可工作：CE引腳，高電平控制讀寫數(shù)據(jù)、SCLK串行時鐘引腳，控制數(shù)據(jù)的讀和寫、I/O雙向串行數(shù)據(jù)引腳。Vcc2為備用電源，外接32.768 kHz晶振，為芯片提供計時脈沖。

1.7 短信報警電路

如果發(fā)現(xiàn)有高于預警電壓的情況，則系統(tǒng)會發(fā)送指定信息給指定號碼，以便維修人員及時響應。如圖6所示，TC35新版西門子GSM模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V，電流消耗：休眠狀態(tài)為3.5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)為300 mA（平均），峰值為2.5 A；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）分別為2 W和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3 V/1.8 V，TC35的數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為0.3～115 kbit/s，自動波特率為1.2～115 kbit/s。它支持Text和PDU格式的短消息（short message service，SMS），可通過AT命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復。作為TC35的核心基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數(shù)字功能。

圖5 DS1302電路

圖6 TC35的使用連接和結(jié)構

值得注意的是，模塊的供電電壓如果低于3.3 V會自動關機。同時，模塊在發(fā)射時，電流峰值可高達2 A。在此電流峰值時，電源電壓（送入模塊的電壓）下降值不能超過0.4 V。所以，該模塊對電源的要求較高，電源的內(nèi)阻+FFC連接線的電阻必需小于200 mΩ。單片機通過2根I/O口控制TC35的開關機、復位等，通過串口與TC35進行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9 600 kbit/s，采用8位異步通信方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。TC35模塊輸入輸出的TTL正電平邏輯不是5 V，而是2.9 V，因此必要時加端口保護。另外，需要聯(lián)系通信服務商開通雙向數(shù)據(jù)包業(yè)務，配送指定號碼?；贕SM手機模塊的短信平臺只需要配合SIM卡使用，以取代繁瑣的短消息專線接入，是目前應用最廣泛的通信方案之一。

部分程序如下：

//AT指令的定義

char code AT_Tc35[]="AT+";//連機

char code Bps_Tc35[]="IPR=9600";//波特率

char code Text_Tc35[]="CMGF=1";//文本模式

char code Read_Tc35[]="CMGR=";//讀信息

char code Erase_Tc35[]="CMGD=";//刪除信息

char code Send_Tc35[]="CMGS=";//發(fā)送信息

char neirong[i]="alarm about high voltage";//發(fā)送短信內(nèi)容字符串

//模式設置

void UART_Init(void)

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

ES=l;}

//發(fā)短信的過程

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);//發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容

senddata(0×20);senddata(0×1a);senddata(0×0d); ES=1;//串口中斷可以不關，一般不會沖突。

1.8 其他單元電路

單片機在電路中主要負責控制顯示、按鍵響應、AD轉(zhuǎn)換、傳感器供電（定時觸發(fā)）、控制短信TC35模塊收發(fā)、控制內(nèi)部2 048字節(jié)EEPROM和DS1302的讀寫。其中，用于存儲時間的EEPROM采用單字節(jié)的“char”變量類型來表示日、月、年、時、分一共5個數(shù)據(jù)，則一次存儲需要5個字節(jié)。每5min存儲1次，則1 d需要60/5×24×5=1 440字節(jié)，所以，系統(tǒng)可以保存接近2 d的數(shù)據(jù)并回顯。數(shù)據(jù)流程如圖7所示。

2 結(jié)果分析

通過9針串口數(shù)據(jù)線，將程序和數(shù)據(jù)通信協(xié)議燒錄到單片機內(nèi)，同時設置單片機UART初始化波特率為9 600 kbit/s，與常用信道和GSM模塊同頻；將互感傳感器套接在電力線入口上，單片機上電運行，電源燈亮。在移動通信公司開通指定SIM卡號碼并插入，只需要把用戶信息加上目的地址發(fā)送到相應的短信服務中心（SMSC）即可，通過服務中心存儲轉(zhuǎn)發(fā)給最終信宿（維護工程師等）。對醫(yī)院內(nèi)使用頻率較高的B超機進行測試，時間1 d，測試采樣率為1次/10min，將電壓閾值設置到230 V，觀察電壓波動情況和報警短信，結(jié)果如圖8所示。每當實際電壓高于設置閾值時，電壓波動報警短信就會發(fā)送到指定電工手機上，最后可以以曲線回看的方式了解最近發(fā)生的電壓波動情況。本系統(tǒng)架構簡單，使用方便，展收方便快捷。根據(jù)上述程序指定內(nèi)容，信宿手機顯示“alarm about high voltageHHmm”。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

圖8 采集電壓波動圖示例（測試時間段內(nèi)11：30處超出閾值）

3 結(jié)語

系統(tǒng)既有模擬又有數(shù)字電路，還有高壓吸收檢測傳感器，所以，必須考慮它們之間的電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC）問題。有幾個地方需要注意：

（1）電源部分的EMC設計。為了避免引入外界干擾噪聲和電源線上的壓降噪聲，需采用容值不同的電容并聯(lián)濾波，容值相差10倍左右即可。同時，在印制電路板布線時，盡量加大電源銅箔寬度，減小環(huán)路電阻[12]。

（2）去耦部分設計。電源輸入跨接一個100 μF及以上的電解電容，同時為每個集成IC的Vcc處放置一個0.01μF的陶瓷電容，這種器件高頻阻抗很小，在0.5～20 MHz內(nèi)小于1 Ω，且漏電流可在0.5 μA以下。

（3）濾波和隔離。需要隔離模擬量和數(shù)字量的電器連接，內(nèi)外部電路接口隔離或者印制電路板電路隔離[13]；電網(wǎng)的高次諧波幅度會低于基波的幅度，抗混疊濾波器特性會產(chǎn)生較大誤差，可將電壓和電流

（????）（????）信號以倍頻6.4 kHz進行采樣，然后用數(shù)字濾波器來濾除形成混疊的高頻成分，減少對抗混疊濾波器特性要求的依賴。

本系統(tǒng)在升級設計中還可以考慮如下幾個方面的問題：

（1）可以對諧波進行時域和頻域分析，同時可使用備用電源切換；擴容EEPROM使存儲量更大。

（2）根據(jù)不同用電環(huán)境和需求，系統(tǒng)可考慮增設瞬態(tài)斷電保護功能和無功補償[14]。

（3）利用單獨的高速采樣芯片和精準的邏輯判斷，可監(jiān)測電壓瞬間驟變等持續(xù)時間更短的跳變現(xiàn)象。

總之，作為一個用電大戶和擁有眾多精密儀器的單位，醫(yī)療機構應該對電網(wǎng)環(huán)境進行有效監(jiān)測，以保護自身的設備安全和患者安全。

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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，工程師，主要從事生物醫(yī)學信息檢測與處理，醫(yī)療器械開發(fā)、維修和檢測方面的研究工作，E-mail：xiangyu0719@ 163.com。

400037重慶，第三軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院設備科（向 逾，種銀保），腎內(nèi)科（袁巧洪）

種銀保，E-mail：chongyinbao@163.com