徐肖鯨+++趙宏才+++郭佳樂(lè)+++刁少文
摘 要:隨著智能化對(duì)各行各業(yè)的影響,傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)也迎來(lái)了更先進(jìn)的治療手段。在單片機(jī)作為控制核心的電療儀中,有可能遇到各種干擾,以至于在使用電療儀時(shí)使人體產(chǎn)生不適感。文章將對(duì)電療儀中可能出現(xiàn)的電源干擾進(jìn)行分析,并研究出一種融合一階遞推數(shù)字濾波與限幅濾波的軟件抗干擾方法。
關(guān)鍵詞:中頻電療儀;單片機(jī);軟件抗干擾;一階遞推濾波;限幅濾波
1 電療儀中可能出現(xiàn)的干擾與抗干擾手段
在如今智能化設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)帶來(lái)巨大改變的情況下,傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的治療手段也得到了廣泛而全面的提升。而電療,作為一種古老的治療方式通過(guò)智能化設(shè)備的發(fā)展再次活躍起來(lái)。在電療儀器發(fā)展的過(guò)程中,單片機(jī),作為嵌入式系統(tǒng)中性能與功耗均佳的一種選擇,得到最為廣泛的運(yùn)用。
用戶可能在不同的環(huán)境下使用電療儀,以及儀器本身的一些原因,會(huì)產(chǎn)生很多不確定的因素對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行干擾。影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的干擾因素可能有來(lái)自于儀器內(nèi)部與外部的各種電氣干擾,以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各元器件之間的干擾、安裝制造過(guò)程中帶來(lái)的干擾以及外部的使用環(huán)境條件等。
單片機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用的軟件抗干擾的解決方法有:通過(guò)某些算法使系統(tǒng)能濾去干擾波形從而恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在這方面可以使用數(shù)字濾波器、輸入口信號(hào)重復(fù)檢測(cè)、輸出口信號(hào)刷新、軟件攔截、指令冗余、軟件陷阱和程序監(jiān)視技術(shù)等軟件抗干擾方法。
而本文將要研究的干擾是來(lái)自于電源的,電源的干擾是單片機(jī)系統(tǒng)中最嚴(yán)重的干擾來(lái)源之一,電源干擾主要是由電源與電源引出線所產(chǎn)生的,在電療儀的電源開(kāi)關(guān)通電的一剎那,在電極貼片輸出端,會(huì)輸出一個(gè)比較大的干擾波形,給患者帶來(lái)明顯的電擊感。
2 常用的數(shù)字濾波器介紹
在軟件抗干擾中,由于軟件可以根據(jù)代碼的不同,更加靈活的作用于實(shí)際運(yùn)用,節(jié)省了大量的硬件資源,這使得軟件抗干擾在如今得到更多青睞,不過(guò)由于軟件抗干擾需要CPU進(jìn)行運(yùn)算,占用時(shí)間比硬件抗干擾更多,所以軟件抗干擾程序不宜設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)。而數(shù)字濾波器作為一種最為常見(jiàn)抗干擾方法,有著高效的抗干擾能力,可以更好的解決許多實(shí)際問(wèn)題,得到人們的重視。
數(shù)字濾波法是指通過(guò)將一組數(shù)字序列輸入到單片機(jī)中進(jìn)行一定的運(yùn)算,然后輸出成另一組數(shù)字序列的方法。
2.1 一階遞推數(shù)字濾波法
一階遞推數(shù)字濾波法是一種軟件抗干擾手段,在應(yīng)對(duì)來(lái)自電源的干擾時(shí)能有效的濾除高頻及低頻干擾信號(hào)。其遞推公式為Yn=QXn+(1+Q)Yn-1。其中Q為時(shí)間常數(shù),Xn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸入,Yn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。一階遞推數(shù)字濾波法適合作用于變化較慢的系統(tǒng),并不適用于變化較快的系統(tǒng)。
2.2 限幅濾波法
限幅濾波通常是為了克服系統(tǒng)中竄入的隨機(jī)脈沖干擾信號(hào)。其原理是比較兩個(gè)相鄰采樣值,然后根據(jù)系統(tǒng)所需輸出設(shè)定允許的最大偏差,如果兩次采樣的差值并不大于最大偏差值,則取本次采樣值; 若兩次采樣的差值大于最大偏差值,則可認(rèn)為系統(tǒng)中竄入了隨機(jī)脈沖干擾,應(yīng)刪除這次采樣值,并用上次采樣值作為替代。
3 一階遞推限幅數(shù)字濾波法的抗干擾工作過(guò)程
在電療儀的使用過(guò)程中,為了應(yīng)對(duì)可能的電源干擾,在系統(tǒng)中同時(shí)使用限幅濾波與一階遞推限幅濾波可以最大限度地使儀器有更強(qiáng)的軟件抗干擾能力。在應(yīng)對(duì)來(lái)自通斷電源造成的隨機(jī)脈沖干擾,限幅濾波可以做到有效抑制,而在正常使用過(guò)程中,一階遞推限幅數(shù)字濾波可以保證系統(tǒng)不受外界的高頻與低頻信號(hào)干擾,保證了中頻電療的正常輸出治療波。圖2為融合一階遞推與限幅的數(shù)字濾波法的抗干擾過(guò)程。
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作者簡(jiǎn)介:徐肖鯨(1991-),性別:男,碩士,青島理工大學(xué),研究方向:智能體控經(jīng)絡(luò)電療儀的研發(fā)。
趙宏才(1958-),性別:男,研究生導(dǎo)師,副教授,青島理工大學(xué)。
郭佳樂(lè)(1990-),性別:男,碩士,青島理工大學(xué),研究方向:康復(fù)機(jī)器人。
刁少文(1989-),性別:男,碩士,青島理工大學(xué)。