帶NFC功能監(jiān)護(hù)儀在輻射騷擾試驗(yàn)中電磁兼容改良

趙陽(yáng) 易華斌 趙五芹 楊政

[摘 ? ?要]隨著國(guó)家對(duì)醫(yī)院的投資日益增加，醫(yī)院的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，醫(yī)院在數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和內(nèi)部數(shù)據(jù)的共享上，也迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)。尤其智慧醫(yī)院時(shí)代的到來(lái)，醫(yī)院的大數(shù)據(jù)管理更加重要。如心電監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品在原來(lái)的心電監(jiān)護(hù)基礎(chǔ)功能上，增加了數(shù)字采集的功能（NFC功能），出現(xiàn)了輻射騷擾超標(biāo)的現(xiàn)象。從心電監(jiān)護(hù)儀的NFC控制電路原理進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)射電路、匹配電路和軟件環(huán)節(jié)等進(jìn)行綜合考慮，既能讓產(chǎn)品在性能上滿足正常需要，同時(shí)也能在認(rèn)證中通過(guò)輻射騷擾的試驗(yàn)要求。

[關(guān)鍵詞]心電圖;輻射騷擾;NFC

[中圖分類號(hào)]R472 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–0–03

Improvement of Electromagnetic Compatibility of Monitor

With NFC Function in Radiation Disturbance Test

Zhao Yang，Yi Hua-bin，Zhao Wu-qin，Yang Zheng

[Abstract]With the increasing national investment in hospitals， the scale of hospitals is also expanding. Hospitals also face new challenges in database management and internal data sharing. Especially with the advent of the era of smart hospital， the big data management of the hospital is more important. For example， the ECG monitor product adds the function of digital acquisition （NFC function） on the basis of the original ECG monitoring function， resulting in the phenomenon that the radiation disturbance exceeds the standard. This paper analyzes the principle of NFC control circuit of ECG monitor， and comprehensively considers the transmitting circuit， matching circuit and software links， which can not only make the product meet the normal needs in performance， but also pass the test requirements of radiation disturbance in certification.

[Keywords]electrocardiogram; radiation disturbance; NFC

隨著監(jiān)護(hù)儀在智慧醫(yī)院的廣泛使用，許多心電圖儀采用身份證讀卡功能，只要患者在醫(yī)院就診時(shí)刷下自己的身份證，就可以進(jìn)行所有檢查結(jié)果的綁定，方便了醫(yī)生對(duì)患者的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，便于診斷。但是在實(shí)際認(rèn)證時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)帶NFC功能的監(jiān)護(hù)儀在進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試時(shí)不合格的問(wèn)題。本文主要探究了如何既能滿足產(chǎn)品的功能要求，又能在認(rèn)證時(shí)讓處于NFC工作模式下的產(chǎn)品能滿足認(rèn)證要求。

1 帶NFC功能監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品

監(jiān)護(hù)儀是一種以測(cè)量和控制病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超標(biāo)可發(fā)出警報(bào)的裝置或系統(tǒng)。通過(guò)傳感器感應(yīng)各種生理變化，然后經(jīng)過(guò)放大器把信息強(qiáng)化，再轉(zhuǎn)換成電信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和編輯，最后在顯示屏中的各個(gè)功能模塊顯示出來(lái)，或根據(jù)需要記錄，打印下來(lái)，當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的指標(biāo)時(shí)，就會(huì)激發(fā)報(bào)警。

這種產(chǎn)品在醫(yī)院一般廣泛應(yīng)用于手術(shù)中、手術(shù)后、分娩、新生兒、早產(chǎn)兒等場(chǎng)合。為了方便患者就醫(yī)，同時(shí)也為了方便醫(yī)院的數(shù)據(jù)管理，使病人的數(shù)據(jù)和身份信息完全對(duì)應(yīng)，一些監(jiān)護(hù)儀增加了NFC功能。NFC是一款近距離無(wú)線通信技術(shù)，由非接觸式射頻識(shí)別（RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來(lái)，它是一種短距高頻的無(wú)線電技術(shù)。NFCIP-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定NFC的通信距離為10cm以內(nèi)，運(yùn)行頻率13.56 MHz，傳輸速度有106 kbit/s、212 kbit/s或者424 kbit/s三種。NFCIP-1標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定NFC設(shè)備的傳輸速度、編解碼方法、調(diào)制方案以及射頻接口的幀格式，此標(biāo)準(zhǔn)中還定義了NFC的傳輸協(xié)議，其中包括啟動(dòng)協(xié)議和數(shù)據(jù)交換方法等。在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換，以便將病人的檢測(cè)數(shù)據(jù)存入后臺(tái)管理，用于進(jìn)一步確診和相關(guān)教學(xué)研究之用。

2 監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品電磁兼容試驗(yàn)的考察

監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品成為醫(yī)院不可或缺的醫(yī)療設(shè)備，幾乎每個(gè)醫(yī)院都會(huì)配有一定數(shù)量的心電監(jiān)護(hù)儀。另外對(duì)于部分社康中心，為了分流醫(yī)院的一些病人，也開始配備一定的監(jiān)護(hù)儀設(shè)備。按照國(guó)內(nèi)的監(jiān)管要求，這類設(shè)備必須滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)《YY9706.102—2021醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容要求和試驗(yàn)》要求，其中輻射騷擾測(cè)試項(xiàng)目必須滿足2組B類的試驗(yàn)要求，見表1。

圖1是一款帶NFC功能的監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品的輻射騷擾掃描圖。

3 不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象及原因分析

帶NFC功能的監(jiān)護(hù)儀連接心電模擬器和血氧模擬器進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試時(shí)，在10 m半電波暗室進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試的試驗(yàn)考核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)40.673 MHz，94.873 MHz，121.956 MHz，216.919 MHz超標(biāo)，初步確定是NFC功能模塊出來(lái)的干擾，即13.56 MHz的倍頻，它們分別是13.56 MHz的3，7，9，16次倍頻。為了進(jìn)一步確認(rèn)13.56 MHz是否為干擾源，采用示波器對(duì)天線的波形進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行傅里葉變換得出67.8 MHz的頻譜，采用近場(chǎng)探頭對(duì)干擾源進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)是NFC模塊工作時(shí)的干擾。

這個(gè)發(fā)射頻點(diǎn)的倍頻超標(biāo)的主要原因，從硬件的角度來(lái)說(shuō)，主要是13.56 MHz的時(shí)鐘在PCB板走線、匹配電路參數(shù)、天線走線等引起時(shí)鐘信號(hào)的失真，這樣在后面的倍頻電路中會(huì)造成相關(guān)諧波超標(biāo)。

4 優(yōu)化相關(guān)的設(shè)計(jì)方案

4.1 芯片的選型

對(duì)于NFC芯片，最早的恩智浦半導(dǎo)體公司的MFRC522是一款13.56 MHz頻段的非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片，是NXP公司在低電壓、低成本、體積小的市場(chǎng)領(lǐng)域推出的一款非接觸式讀寫卡芯片，對(duì)于智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)來(lái)說(shuō)是一個(gè)較好的選擇。這款芯片相對(duì)來(lái)說(shuō)，電磁兼容是比較穩(wěn)定的，是一個(gè)方案比較成熟的芯片。在中國(guó)的復(fù)旦微電子生產(chǎn)的讀卡芯片F(xiàn)M1702Q也陸續(xù)在一些近場(chǎng)的產(chǎn)品上使用，方案也比較成熟，成了電子工程師在設(shè)計(jì)時(shí)首選的芯片之一。

4.2 讀卡部分原理圖的設(shè)計(jì)

這里以一款13.56 MHz的芯片SI522進(jìn)行說(shuō)明，該芯片包括發(fā)射部分和接收部分，在輻射騷擾的考核中，主要是發(fā)射部分的電路設(shè)計(jì)不周，造成輻射騷擾超標(biāo)。

信號(hào)發(fā)射部分的電路可以分為3個(gè)部分：EMC濾波部分、諧振和阻抗匹配電路部分和線圈部分。濾波電路主要是LC組成的低通濾波電路，芯片經(jīng)TX1和TX2推送出的13.56 MHz信號(hào)，不可避免地會(huì)存在高次諧波，所以采用LC低通濾波器盡量濾除掉高于13.56 MHz的無(wú)用信號(hào)，這樣有利于正常讀卡和減小天線對(duì)空間的電磁干擾;匹配電路主要是調(diào)整天線的諧振頻點(diǎn)到13.56 MHz，這樣可以使天線的信號(hào)幅度最大，有利于讀卡，另外匹配電路要讓發(fā)射部分的電路與讀卡芯片輸出電阻匹配，這樣有利用天線獲得最大功率去增加讀卡的距離;天線部分在這款機(jī)器里面是PCB線圈，如圖2所示。

4.3 讀卡芯片PCB板子的布局

讀卡芯片的PCB板一般采用2層板制作。在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮能通過(guò)電磁兼容的考核，同時(shí)也要滿足性能的要求。因此，讀卡芯片在布局時(shí)需要對(duì)低通濾波電路、匹配電路及天線進(jìn)行綜合考慮。

建議：13.56 MHz的讀卡芯片和濾波電路必須靠近;諧振調(diào)節(jié)電路根據(jù)PCB布局情況，最好在天線的起始點(diǎn)，見圖3。另外環(huán)形PCB板的天線，最好在天線的正下方采用鋪銅處理，這樣相當(dāng)于給天線做了一個(gè)鏡像平面，可以減小天線源的干擾。

通過(guò)上述方法，對(duì)RF的PCB板進(jìn)行重新布局，調(diào)整匹配電路的參數(shù)，在滿足性能的情況下，最后的測(cè)試結(jié)果滿足電磁兼容的相關(guān)要求。輻射測(cè)試曲線如圖4所示。

在電磁兼容的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不光在硬件方面對(duì)電路板的布局和調(diào)整匹配電路的參數(shù)，使達(dá)到相關(guān)的電磁兼容要求。也可以采用軟件來(lái)處理EMC問(wèn)題，這也是電磁兼容對(duì)策方案時(shí)采用的手法。

4.4 通過(guò)軟件來(lái)處理

在監(jiān)護(hù)儀的操作界面，添加一個(gè)NFC開關(guān)的功能，若實(shí)行讀卡時(shí)，打開監(jiān)護(hù)儀操作界面的NFC軟開關(guān)，這時(shí)就會(huì)給控制芯片發(fā)送一個(gè)開關(guān)指令，控制芯片的輸出腳就會(huì)輸出一個(gè)高電平，讓其電子開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，給NFC芯片供電，讓其NFC芯片正常工作，當(dāng)完成任務(wù)時(shí)，將NFC開關(guān)關(guān)掉。設(shè)計(jì)圖的原理電路如圖5所示。

這樣就不會(huì)讓NFC功能處于長(zhǎng)發(fā)射狀態(tài)，在電磁兼容考察時(shí)，關(guān)掉其NFC開關(guān)的曲線掃描圖如圖6所示。

5 結(jié)論

帶NFC功能的心電監(jiān)護(hù)儀類產(chǎn)品，對(duì)于前期設(shè)計(jì)時(shí)，需要從硬件角度，包括芯片的選型、發(fā)射電路的匹配和天線的布局等方面綜合進(jìn)行考慮;同時(shí)也可以從軟件的角度，在心電監(jiān)護(hù)儀的操作界面增加NFC開關(guān)，當(dāng)要讀卡時(shí)，界面自動(dòng)跳出NFC開關(guān)，通過(guò)NFC軟開關(guān)來(lái)打開NFC功能芯片的供電，讓其在刷卡的瞬間，保持工作，刷完卡自動(dòng)關(guān)閉該功能。在產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，選用適當(dāng)方法，以使設(shè)計(jì)出來(lái)的帶NFC功能的產(chǎn)品能滿足試驗(yàn)要求。

參考文獻(xiàn)

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