PM 8000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板的原理與維修

陳宏軍，豐光全，王鳳紅

北京老年醫(yī)院 器械科，北京 100095

PM 8000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板的原理與維修

陳宏軍，豐光全，王鳳紅

北京老年醫(yī)院 器械科，北京 100095

本文根據(jù)PM8000型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板工作原理框圖，闡述了PM8000型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板的工作原理，分析了主要元器件功能，總結(jié)了主控板的常見(jiàn)故障及原因。

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀；心電圖；無(wú)創(chuàng)血壓；醫(yī)療設(shè)備維修

PM8000型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀可實(shí)時(shí)檢測(cè)人體的心電信號(hào)、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的監(jiān)督報(bào)警、信息存儲(chǔ)和傳輸，能為醫(yī)學(xué)臨床診斷提供重要的生理信息，在醫(yī)療診治過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

主控板是多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是最重要的部件之一，具有系統(tǒng)的控制、調(diào)度及管理；數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示、診斷及打印；網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

主控板與外部的互連包括電源輸入和多路串口、薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor，TFT-LCD）屏接口、模擬視頻圖形陣列（Video Graphics Array，VGA）接口、網(wǎng)絡(luò)接口、模擬輸出等。板上保留OCD調(diào)試模式（Background Debugging Mode，BDM）接口用作軟件調(diào)試和軟件下載[1]。

PM8000型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板故障發(fā)生率較高，現(xiàn)將其工作原理及常見(jiàn)故障介紹如下。

1 工作原理

儀器開(kāi)機(jī)后，閃存器U3、U4中存儲(chǔ)的主程序被引導(dǎo)到內(nèi)存中，主處理器U7進(jìn)行運(yùn)算處理，控制其他相應(yīng)部件、模塊工作。工作中，傳感器采集的NIBP（無(wú)創(chuàng)血壓）、ECG（心電圖）及SpO2（血氧飽和度）等信號(hào)送到相應(yīng)模塊進(jìn)行干擾抑制、信號(hào)濾波和放大等預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)I/O（輸入/輸出）線、總線送到內(nèi)存。主處理器根據(jù)預(yù)設(shè)程序指令對(duì)內(nèi)存?zhèn)鱽?lái)的各數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果與設(shè)定閾值比較，進(jìn)行監(jiān)督報(bào)警，將結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到閃存器，并經(jīng)過(guò)總線傳送到顯示單元供顯示。顯示控制芯片圖形處理器（Graphic Processing Unit，GPU）根據(jù)主處理器的要求，完成圖像處理過(guò)程，并將最終圖像，送入低壓差分信號(hào)（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）發(fā)射端芯片，通過(guò)LCD液晶屏進(jìn)行顯示。主處理器將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)接口傳送至護(hù)士中心工作站上，在PC機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示，供醫(yī)療診治使用。

2 主控板的硬件結(jié)構(gòu)

主控板主要元器件表，見(jiàn)表1。主控板主要由4部分組成：CPU處理單元、顯示單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單元和I/O接口單元。原理框圖，見(jiàn)圖1。

表1 主控板主要元器件一覽表

2.1 CPU處理單元

CPU處理單元主要元件有：CPU芯片、內(nèi)存芯片和閃存芯片。

U7：Motorola公司生產(chǎn)的嵌入式控制器，ColdFire 5206E作為主控板的主CPU，工作電壓在3.3 V，工作時(shí)鐘54 MHz（X1）。它通過(guò)總線和I/O線與外圍的ECG、NIBP、SpO2等模塊相連接，對(duì)其進(jìn)行通訊和控制，對(duì)模塊反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備。

U3～U4：閃存（TE28F800）。采用兩片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器芯片并聯(lián)，為本機(jī)提供16M閃存。用來(lái)存儲(chǔ)PM8000啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行的程序和常數(shù)。CPU的輸出端口PP1用于Flash存儲(chǔ)器的寫(xiě)保護(hù)，低電平有效。在需要更新軟件版本時(shí)，通過(guò)BDM接頭，即插座P7下載[1]。

U1～U2：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），為內(nèi)存。由兩片1Mwords×16 bit的Hynix DRAM芯片并聯(lián)，為本機(jī)提供32 M內(nèi)存。

工作過(guò)程中，閃存中的程序被CPU引導(dǎo)到內(nèi)存，CPU在內(nèi)存中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。內(nèi)存用來(lái)存放當(dāng)前正在使用的（即執(zhí)行中）的數(shù)據(jù)和程序，只用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，一旦關(guān)閉電源或發(fā)生斷電，就會(huì)釋放所有的存儲(chǔ)空間，其中的程序和數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。

2.2 顯示單元

主要由顯示控制芯片GPU、顯存芯片、低壓差分信號(hào)傳輸芯片U21構(gòu)成。

U14：顯示控制器GPU。Xilinx公司的具有串口控制功能的VGA顯示芯片現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field－Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）XC2S50，作為主控板的GPU，工作電壓3.3 V，顯示時(shí)鐘為38 MHz（X3）。U14還擴(kuò)展出多路串口，這些串口與外部參數(shù)模塊進(jìn)行通訊。U14將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳遞給CPU，CPU通過(guò)U14發(fā)送數(shù)據(jù)給各外部參數(shù)模塊。

U10～U13：幀存儲(chǔ)器（Video Random Access Memory，VRAM），顯存芯片。由4片SRAM靜態(tài)存儲(chǔ)器構(gòu)成，分為字符區(qū)和波形區(qū)兩部分。顯示屏上的可見(jiàn)信息是這兩個(gè)區(qū)域中顯示像素的疊加。用來(lái)存儲(chǔ)顯示芯片GPU（U14）運(yùn)算處理的臨時(shí)數(shù)據(jù)及程序。

U21：低壓差分信號(hào)傳輸芯片，LVDS發(fā)送器。LVDS發(fā)送器將U14輸出的并行RGB（紅綠藍(lán)）數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成低電壓串行LVDS信號(hào)，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)板與液晶面板之間的柔性電纜（排線），將信號(hào)傳送到液晶面板側(cè)的LVDS接收器，LVDS接收器再將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL（晶體管-晶體管邏輯電平）電平的并行信號(hào)，送往液晶屏進(jìn)行顯示控制。

CPU對(duì)采集的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)程序指令進(jìn)行運(yùn)算處理后，經(jīng)I/O總線送到顯示單元，GPU將顯示數(shù)據(jù)存放到VRAM顯存芯片，進(jìn)行運(yùn)算處理后，視頻信號(hào)經(jīng)低壓差分信號(hào)傳輸芯片U21，送到LVDS輸出端口，供本機(jī)LCD液晶顯示屏顯示。數(shù)字視頻信號(hào)分成兩路，一路通過(guò)P2送給機(jī)內(nèi)的CRT（陰極射線管顯示器）顯示組件，另一路通過(guò)二極管/電阻網(wǎng)絡(luò)合成后輸送到P17（VGA）接口，驅(qū)動(dòng)外部VGA顯示器。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元

網(wǎng)絡(luò)傳輸單元主要由網(wǎng)絡(luò)控制芯片U19、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器U20及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器構(gòu)成。

U19：網(wǎng)絡(luò)控制器。采用臺(tái)灣ASIX公司推出的兼容NE2000的快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796。工作時(shí)鐘為25 MHz有源晶振（X4），可靠地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_同步性，大大減少了丟包的可能性。

U20：網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器又稱數(shù)據(jù)汞，型號(hào)為FRECOM FM81-2319。U20可以增強(qiáng)傳輸信號(hào)，使信號(hào)傳送的距離更遠(yuǎn)；又可使芯片端與外部隔離，增強(qiáng)抗干擾能力，對(duì)芯片增加了保護(hù)作用（如浪涌電壓、雷擊等）；當(dāng)接到不同電平的網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)，不會(huì)對(duì)彼此設(shè)備造成影響。因此U20主要承擔(dān)信號(hào)傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號(hào)雜波抑制和高電壓隔離等作用。

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器：該機(jī)型網(wǎng)絡(luò)傳輸采用共享內(nèi)存方式，即網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器占用主機(jī)內(nèi)存。

當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)傳輸請(qǐng)求時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制芯片、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器U20，輸送到P15（NET）接口，再通過(guò)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，將實(shí)時(shí)的患者生命體征數(shù)據(jù)與中心工作站進(jìn)行通訊傳遞。

2.4 輸入輸出接口單元

主控板上的I/O接口包括5個(gè)異步串口和1個(gè)I2C接口。U14 GPU擴(kuò)展出多個(gè)串口。P8（CO/IBP）、P5（CO2）、P9（SpO2）及P6（ECG）等模塊接口經(jīng)U23與U14進(jìn)行連接，P12（PCON）電源控制經(jīng)U22與U14相連接，P14（NIBP）、P10（KB）鍵盤(pán)接口和P13（REC）記錄儀接口經(jīng)U24與U14相連接。

U22～U248路D觸發(fā)器。外部輸入的數(shù)據(jù)輸送到相應(yīng)的D觸發(fā)器鎖存，由片選信號(hào)選擇數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通訊。串口工作的波特率來(lái)自CPU工作時(shí)鐘。

U5（CAT24C161）E2PROM器件，主要功能是復(fù)位與存儲(chǔ)用戶設(shè)置參數(shù)。U5提供對(duì)主控板的復(fù)位控制，即開(kāi)機(jī)上電或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為CPU、GPU、網(wǎng)絡(luò)控制器提供復(fù)位信號(hào)。其Vcc檢測(cè)電路可使系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)檢測(cè)到最小工作電壓時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到Vcc返回到正常值為止。J1開(kāi)路時(shí)，軟件通過(guò)CPU輸出口線PR0也可以禁止Watchdog（監(jiān)視器），以提供Watchdog的自檢。該芯片為I2C總線接口，連接到CPU的M-bus總線上。

U6：主控板的時(shí)鐘芯片DS1337，見(jiàn)圖2。主要功能有：時(shí)鐘、日歷、鬧鐘、周期性中斷輸出、32KHz時(shí)鐘輸出等。DS1337串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片是一種低功耗、全部采用BCD碼的時(shí)鐘芯片。該芯片通過(guò)I2C接口與控制處理器芯片通信，提供穩(wěn)定的總線時(shí)序給后續(xù)電路用，以完成芯片間的通信。BT1主板電池用于保存用戶的設(shè)置參數(shù)信息以及維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘不掉電。

U25：D/A轉(zhuǎn)換器采用MAX5102芯片，將CPU送來(lái)的ECG或IBP數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)低通濾波和放大，提供給P16（模擬輸出），進(jìn)行輸出。

B1：蜂鳴器。主控板CPU直接控制，用于對(duì)系統(tǒng)致命故障進(jìn)行聲音報(bào)警。

主控板的電源通過(guò)P11與電源板連接，電源包括5 V主電源、12 V模塊工作電源和一路備用輔助電源。FPGA的3.3 V工作電源通過(guò)直流穩(wěn)壓器U11產(chǎn)生。12 V模塊工作電源和串口信號(hào)合并后連接到各參數(shù)模塊。

X1、X3～X4：為有源晶振。

3 故障與維修

3.1 故障一

3.1.1 故障現(xiàn)象

開(kāi)機(jī)后，儀器黑屏無(wú)顯示，但電源指示燈亮。3.1.2 故障分析與檢修

白屏說(shuō)明顯示屏背光燈有供電，但不能正常顯示主控板提供的顯示數(shù)據(jù)。應(yīng)考慮LVDS連接排線、LVDS芯片、屏壞、GPU、顯存及主控板供電故障。首先，PM8000正常啟動(dòng)，排除主控板供電故障，按血壓測(cè)量鍵聽(tīng)氣泵是否有工作聲音。通過(guò)PM8000后面VGA輸出口外接顯示器來(lái)排除GPU、顯存是否工作正常[2]。外接顯示器后，能正常顯示監(jiān)護(hù)儀工作界面，說(shuō)明顯示系統(tǒng)功能基本正常，可能是屏壞或屏排線松動(dòng)導(dǎo)致接觸不良。

按血壓測(cè)量鍵聽(tīng)氣泵有工作聲音；外接顯示器后，能正常顯示監(jiān)護(hù)儀工作界面；更換顯示屏及排線后，故障依舊。LVDS接口無(wú)輸出，重點(diǎn)檢查U21芯片。用萬(wàn)用表測(cè)量U21第2、8、21腳電壓，均無(wú)3.3 V工作電壓。查貼片電阻R101及C90均正常。U21工作電壓3.3 V由U16穩(wěn)壓后提供。一般引腳排列為1、地；2、出；3、入。測(cè)量U16有5 V電壓輸入，無(wú)3.3 V電壓輸出。U16為1117 M/33.3 V電源電壓轉(zhuǎn)換器，用一導(dǎo)線直接到該板上同型號(hào)電壓轉(zhuǎn)換器U18電壓輸出腳，短時(shí)開(kāi)機(jī)顯示正常。購(gòu)買(mǎi)該同型號(hào)集成塊更換后，故障排除。

3.2 故障二

3.2.1 故障現(xiàn)象

開(kāi)機(jī)進(jìn)入監(jiān)護(hù)界面后，中間部分全部黑色，沒(méi)有心電、血氧、呼吸等波形和文字顯示。屏幕上方紅色警示條顯示“12V DC過(guò)低，系統(tǒng)時(shí)鐘不存在?！?/p>

3.2.2 故障分析與檢修

經(jīng)檢查DC12V電源輸出正常，主板電池偏低，更換后故障依舊。故懷疑時(shí)鐘電路問(wèn)題。

此機(jī)使用的是DS1337實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，首先測(cè)量DS1337芯片的供電腳8為0 V，該芯片未得電工作。在DS1337和電池正極回路查找，未找到明顯斷路。用小刀將DS1337第8腳VCC端周?chē)娐窋嚅_(kāi)，用導(dǎo)線直接將電池正極引到DS1337第8腳。量DS1337的供電端，有3 V電壓。將機(jī)器恢復(fù)，通電開(kāi)機(jī)，報(bào)系統(tǒng)時(shí)鐘需要重新設(shè)置，設(shè)置好時(shí)間，機(jī)器使用正常。

3.3 故障三

3.3.1 故障現(xiàn)象

開(kāi)機(jī)后屏幕顯示花屏，其他工作正常。

3.3.2 故障分析與檢修

判斷是連接線虛造成。打開(kāi)機(jī)器，重新拔插液晶屏連接線，故障依舊。測(cè)量電源電壓，正常。采用替換法，分別用正常機(jī)器的連接線、高壓板、主板與故障機(jī)相應(yīng)部件相替換后，開(kāi)機(jī)檢查。當(dāng)主板替換后，故障機(jī)顯示正常。將故障機(jī)的主板替換到正常機(jī)后，故障存在。確定是主板顯示故障。顯示控制器輸出的數(shù)字視頻信號(hào)一路通過(guò)P2送給機(jī)內(nèi)的CRT顯示組件，另一路通過(guò)二極管/電阻網(wǎng)絡(luò)合成后驅(qū)動(dòng)外部VGA顯示器。外接VGA顯示器顯示正常，故排除顯示主單元故障，判斷故障應(yīng)發(fā)生在顯示傳輸過(guò)程。

故障機(jī)開(kāi)機(jī)，用改錐敲擊LVDS顯示輸出回路并從本機(jī)顯示器中觀察顯示狀況，當(dāng)觸及到U21外圍幾個(gè)管腳時(shí)，圖像顯示發(fā)生變化。故判斷這幾個(gè)管腳接觸不良，用無(wú)水酒精清理干凈，用熱風(fēng)槍對(duì)管腳進(jìn)行補(bǔ)焊后，開(kāi)機(jī)顯示正常。故障排除。

3.4 故障四

3.4.1 故障現(xiàn)象

開(kāi)機(jī)后，機(jī)器報(bào)“NIBP通訊錯(cuò)誤”，按打氣鍵不工作，其余工作正常。

3.4.2 故障分析與檢修

此故障表明NIBP模塊與主控板之間的通訊發(fā)生異常。檢查NIBP模塊與主控板之間的連接線連接可靠，故障應(yīng)該出現(xiàn)在NIBP模塊或主板上。將該機(jī)NIBP模塊替換到正常機(jī)器上，工作正常，故判斷主控板故障。用萬(wàn)用表重點(diǎn)測(cè)量主控板P14（NIBP接口）及U24周邊電路。

經(jīng)查貼片電阻R86/220Ω開(kāi)路，造成NIBP模塊與主控板通訊中斷。更換此貼片電阻，機(jī)器工作恢復(fù)正常。

3.5 故障五

3.5.1 故障現(xiàn)象

開(kāi)機(jī)后，機(jī)器報(bào)"網(wǎng)絡(luò)初始化錯(cuò)誤"，其余工作正常。

3.5.2 故障分析與檢修

系統(tǒng)工作自檢時(shí)，CPU未能同網(wǎng)絡(luò)控制芯片處得到正常的通訊數(shù)據(jù)。分析問(wèn)題主要有4方面：① 主控板上網(wǎng)卡芯片的供電電路出了問(wèn)題，網(wǎng)卡芯片沒(méi)有供電。檢查主板上的主要元件有無(wú)燒傷的痕跡，用萬(wàn)用表測(cè)量網(wǎng)卡控制芯片周邊及供電電路貼片電阻及電容有無(wú)短路、斷路存在。在加電狀態(tài)下，用萬(wàn)用表測(cè)網(wǎng)卡芯片供電端（VCC），看是否有電，如果沒(méi)有則修理供電電路；② 網(wǎng)卡芯片損壞或虛焊。只能更換或補(bǔ)焊；③ 主板上網(wǎng)卡芯片的晶振振蕩不正常，晶振損壞。用示波器測(cè)量振蕩頻率，不正常則更換；④ CPU同網(wǎng)絡(luò)傳輸單元通訊線路故障。經(jīng)檢查網(wǎng)絡(luò)控制芯片周邊幾個(gè)貼片電容對(duì)地短路，從舊板上拆下相同元件更換后，故障排除。

4 小結(jié)

在醫(yī)療器械維修時(shí)，要熟悉儀器性能狀態(tài)，了解故障現(xiàn)象，確定故障部位。如果確定是電路板故障，應(yīng)仔細(xì)檢查電路板上有無(wú)明顯損壞的元器件，研究其工作原理，將其大的系統(tǒng)逐步分解至小的單元系統(tǒng)，測(cè)量主要電壓及波形，充分利用替換法快速查找到故障原因，尋找解決辦法。

維修時(shí)，要膽大心細(xì)、思路清晰，故障就會(huì)迎刃而解。

[1] 謝友道.多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀結(jié)構(gòu)原理與維修[M].江西:科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

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Principle and Troubleshooting of Main-Board for PM 8000 Multi-parameter Monitor

CHEN Hong-jun, FENG Guang-quan,WANG Feng-hong
Equipment Department, Beijing Geriatric Hospital, Beijing 100095, China

TH776

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.043

1674-1633(2012)09-0138-04

2012-03-22

2012-08-27

陳宏軍，工程師。研究方向：醫(yī)療設(shè)備的管理、使用、維修與保養(yǎng)。

作者郵箱：lnyyxxk@yahoo.com.cn