SE-1200 Express 心電圖機(jī)的工作原理及故障分析處理

陳雄德，余權(quán)桂，倪倩，曾健，韓遠(yuǎn)峰

廣州中醫(yī)藥大學(xué)深圳醫(yī)院（福田）醫(yī)療設(shè)備部 （廣東深圳 518000）

隨著醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的提升和醫(yī)療科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心電圖機(jī)在醫(yī)學(xué)臨床中得到了廣泛的使用，已成為各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)的基本配置，并使心電圖作為心臟病診斷的一種重要手段被臨床廣泛應(yīng)用。

SE-1200 Express 是理邦公司生產(chǎn)的一款質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)越的心電圖機(jī)。該款心電圖機(jī)在二甲以上醫(yī)院的占有率較高，現(xiàn)介紹SE-1200 Express 心電圖機(jī)的工作原理及故障分析處理。

1 SE-1200 Express 心電圖機(jī)的工作原理

1.1 SE-1200 Express 心電圖機(jī)整機(jī)原理

SE-1200 Express 是一款十二道心電圖機(jī)。該機(jī)采用全數(shù)字式設(shè)計，配置熱敏點(diǎn)陣打印及5.7寸的液晶屏，具有心電參數(shù)自動測量和分析、基線自動調(diào)節(jié)、全數(shù)字濾波器、自動或手動操作、靈活多樣的輸出打印等功能。整機(jī)原理見圖1。

圖1 SE-1200 Express 心電圖機(jī)整機(jī)原理

SE-1200 Express 十二道心電圖機(jī)各功能模塊的主要組成和功能如下。（1）電源板：輸出+12、+5、-12 V 電源，提供主板、心電板的電源并為電池充電。（2）主板：具備微控制單元（microcontroller unit，MCU）、芯片ARM9 S3C2410、隨機(jī)存儲器（random access memory，RAM）、閃存（flash memory，F(xiàn)lash）、以太網(wǎng)、USB、緩存（buffer）接口及串口RS232等資源。（3）心電板：用于心電信號的采集和處理。（4）鍵盤板：提供用戶輸入接口，包括功能鍵、字母鍵和數(shù)字鍵。（5）顯示器：5.7寸液晶屏，可帶觸摸屏，顯示心電波形、參數(shù)等。（6）熱敏打印頭：由熱敏頭、電機(jī)、齒輪等結(jié)構(gòu)部件組成。

1.2 SE-1200 Express 心電圖機(jī)電源板原理

電源板原理見圖2。電源板的主要功能為，向整個系統(tǒng)提供+12、+5、-12 V的電源電壓，此外，還向電池充電電路提供電壓。電源板的原理如下：使用二級共模濾波輸入220 V交流電源，經(jīng)電磁兼容性器件后到全橋整流電路芯片D8（KBP206），該電源模塊輸出采用兩級穩(wěn)壓，第一級為變壓器和芯片TOP247Y組成的DC-DC穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓到19 V，后級采用芯片LM2576構(gòu)成穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓到+12、+5、-12 V，芯片LM2576-ADJ可進(jìn)行大電流的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)[1]；電池充電部分采用芯片LM317和芯片TL431組合電路實現(xiàn)，由芯片LM317組成恒流電路，由芯片TL431組成恒壓電路，當(dāng)恒流充電接近16.8 V時，由恒流充電轉(zhuǎn)換為恒壓充電，直至充電結(jié)束[1]。機(jī)器接通電源后，AC-DC電路立即工作，但DC-DC電路暫不工作，只有在按下開機(jī)按鈕后，DC-DC電路才工作，即整機(jī)電源接口接入220 V交流電，電源板即可輸出19 V電壓，當(dāng)按下“開機(jī)按鈕”時，各路DC-DC電壓輸出。斷開交流輸入電源后，AC-DC停止工作，若只斷開交流輸入電源，在整機(jī)連接電池的情況下，DC-DC電路仍會繼續(xù)工作，輸出直流電壓。

圖2 SE-1200 Express 心電圖機(jī)電源板原理

1.3 SE-1200 Express 心電圖機(jī)主板原理

主板主要包括MCU S3C2410、動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（dynamic random access memory，DRAM）、閃存芯片（NAND FLASH）、以太網(wǎng)芯片、復(fù)雜可編程邏輯控件芯片（complex programmable logic device，CPLD）等，集成了主頻達(dá)200 MHz 的最小系統(tǒng)。主板提供心電板、熱敏打印頭、液晶屏上所需的電源，并提供USB、以太網(wǎng)、輸入輸出、串口RS232、步進(jìn)電機(jī)和熱敏打印頭接口所需的接口電路和插座。打印部分包括電機(jī)驅(qū)動電路、熱敏頭驅(qū)動及缺紙檢測等電路，其中包括電機(jī)驅(qū)動芯片ULN2003，其作用是放大驅(qū)動電機(jī)的功率。因各種打印速度下的驅(qū)動力矩要求不同，故需根據(jù)不同速度調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，機(jī)器通過控制信號選擇模擬開關(guān)芯片4066來實現(xiàn)芯片LM2577電機(jī)驅(qū)動輸出電壓的變化。電機(jī)電壓可調(diào)電源電路芯片LM2577，提供12.7、17.8、24 V 3種電壓來驅(qū)動電機(jī)，從而實現(xiàn)不同的打印走紙速度。紙張檢測靠打印頭旁的一個光電二級管實現(xiàn)，其基本原理是，當(dāng)有打印紙時，三極管截止，輸出為高電平；無打印紙時，三極管導(dǎo)通，輸出為低電平。

1.4 SE-1200 Express 心電圖機(jī)心電板原理

SE-1200 Express 心電圖機(jī)心電板的原理框圖見圖3。導(dǎo)聯(lián)線輸入信號先通過高壓除顫保護(hù)電路（氖管）、電壓鉗位電路（芯片BAV99）、輸入緩沖電路、變換阻抗，實現(xiàn)高輸入阻抗（芯片TL064電壓跟隨器），再經(jīng)過威爾遜連接網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)9個通道的波形矢量輸入，并且對各個導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行差分放大（芯片TL064），之后進(jìn)行起搏抑止（芯片BAV99）、濾波，最終，心電信號輸入到模數(shù)采集輸入部分。心電信號先經(jīng)一級放大，在通道控制口線的控制下，將所需心電信號或?qū)?lián)脫落信號切換到放大器，經(jīng)過電平的平移作用，輸入到MCU 的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。模塊與外部的通信通過光耦跨過隔離帶實現(xiàn)。主板輸入的電源經(jīng)過變壓器與接口板部分隔離，以滿足安全要求。

圖3 SE-1200 Express 心電圖機(jī)心電板原理框圖

2 SE-1200 Express 心電圖機(jī)的故障分析處理

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象心電圖機(jī)開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)后，有時液晶屏屏幕閃爍并抖動幾下，變暗又重新發(fā)亮，有時液晶屏顯示基本正常。

2.1.2 故障分析及處理

首先，考慮故障由液晶屏損壞或不良導(dǎo)致，采用“外觀檢查法”觀察液晶屏表面，無明顯裂縫、污痕、變焦、變黃、鼓包等現(xiàn)象，初步測試液晶屏的電壓及數(shù)據(jù)信號，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，因故障發(fā)生不頻繁，為盡快定位故障點(diǎn)，采用“替換法”將該故障機(jī)的液晶屏與另一臺完好的心電圖機(jī)的液晶屏對調(diào)替換，發(fā)現(xiàn)原故障機(jī)的故障依然存在，而另一臺機(jī)器正常，表明此故障非液晶屏損壞所引起；進(jìn)一步考慮故障可能存在于主板或電源板，因故障時有時無，不利于排除，故采用可靠性分析“老化測試”方法，將放置該機(jī)器的房間內(nèi)的環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃，開啟機(jī)器進(jìn)入系統(tǒng)，通過高溫加速不良芯片的老化，使故障更快穩(wěn)定地呈現(xiàn)，每隔2 h觀察1次機(jī)器的工作狀態(tài)，經(jīng)過將近2 d的測試，故障發(fā)生更為頻繁且整個系統(tǒng)開始變得不穩(wěn)定，考慮到電源板的故障率相對主板更高，先測試向主板、液晶屏供電的5 V電壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在斷開后端負(fù)載且不接主板及液晶屏的情況下，電源板正常輸出+12、+5、-12 V；在接入主板及液晶屏后，5 V電壓輸出開始變得不穩(wěn)定，芯片U4 LM2576 2引腳電壓輸出會下降，且低于4 V，再測試芯片U4 LM2576 1引腳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前端輸入電壓19 V正常，同時另外兩路電壓輸出穩(wěn)定，最終，定位5 V輸出芯片U4 LM2576不良，更換芯片LM2576，電源板5 V電壓輸出穩(wěn)定，故障排除。

2.1.3 小結(jié)

對于偶發(fā)故障，維修人員可采用高溫老化的辦法促使故障盡快呈現(xiàn)，在解除故障的過程中，若涉及系統(tǒng)各部件的排除，如有同類設(shè)備，可采用“替換法”，一步步縮小故障排查范圍。一般而言，直觀的屏幕故障，如花屏、閃屏、屏幕有黑圈、亮點(diǎn)等，屏本身發(fā)生故障的可能性較大，可采用“外觀檢查法”先觀察部件，尋找是否有損壞的痕跡，同時，還需注意供電電壓是否穩(wěn)定，信號數(shù)據(jù)傳輸有無明顯中斷，晶振工作時的波形是否持續(xù)穩(wěn)定等。

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

心電圖機(jī)開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)，采集患者的心電信號完成后，按下打印按鍵進(jìn)行打印，發(fā)現(xiàn)打印倉出來的打印紙是空白的，沒有心電波形等信息。

2.2.2 故障分析及處理

首先，確認(rèn)打印紙是否反裝，熱敏打印紙反裝后，無法通過在熱敏紙上加熱記錄儀描跡來呈現(xiàn)心電波形及診斷信息；其次，觀察打印頭結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)打印頭無松動，出紙時順暢緊湊，打印時用手輕壓打印頭結(jié)構(gòu)部件，打印結(jié)果仍為空白[2]，卸下打印頭并清潔灰塵重新測試，打印依舊空白[2-3]，測試打印頭的供電電壓，結(jié)果為24 V，正常，參考維修手冊、主板板面芯片、打印接口連接情況，將故障定位到打印電路芯片U22（74HC123），查看此芯片規(guī)格說明書后得知，這是一個由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)加熱時間的硬件控制的芯片，主板芯片S3C2410發(fā)出溫控信號，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)芯片74HC123翻轉(zhuǎn)，其輸出保持410 us 的低電平，即加熱時間[4]，測量J10接口的打印信號，發(fā)現(xiàn)打印時溫控信號未從5 V轉(zhuǎn)變至2.8 V 左右，測量U22供電電壓引腳2和引腳16，結(jié)果顯示，電壓為5 V，正常，用手接觸鐵件（釋放人體身上的靜電）3 s，然后用手輕輕觸碰U22表面，感受是否有明顯發(fā)燙現(xiàn)象[5]，還可用紅外測溫儀來測試芯片表面的溫度，避免因接觸靜電損壞芯片及出現(xiàn)燙傷等情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，U22表面溫度很低，用手觸碰未發(fā)現(xiàn)明顯升溫的現(xiàn)象，查看芯片使用手冊及維修手冊后，可知芯片引腳14和15之間接了一個電容，進(jìn)一步根據(jù)芯片規(guī)格說明書得知，此電容與脈沖輸出時間具有直接關(guān)系，在板上測量電容兩端的阻抗，發(fā)現(xiàn)阻值偏小，更換此電容后，故障解決，打印正常。

2.2.3 小結(jié)

心電圖機(jī)的打印功能使用較頻繁，易發(fā)生故障，發(fā)生故障時可先進(jìn)行簡單的排除，若打印空白由主板故障所致，可通過比較打印接口J10的正常信號（打印前和打印時兩種狀態(tài)的信號）與故障機(jī)器的接口信號迅速定位出現(xiàn)故障的芯片模塊。

2.3 故障三

2.3.1 故障現(xiàn)象

心電圖機(jī)開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)后，液晶屏上方顯示缺紙，按下按鍵面板的打印按鍵，記錄儀不打印。

2.3.2 故障分析及處理

心電圖機(jī)顯示缺紙，通常有以下幾種原因：（1）打印紙已經(jīng)用完，裝入新的打印紙即可；（2）打印紙未安裝到位（人為操作失誤），光電二級管未檢測到打印紙；（3）光電二級管損壞，無法檢測并識別打印紙。

紙倉出口處可見打印紙外露出一小截，打開紙倉，發(fā)現(xiàn)打印紙放置良好，正反面放置正確，因此初步判斷可能是光電二級管出現(xiàn)了故障，使用打印紙為光電二級管遮光，測量主板光電二級管接口的中間引腳，發(fā)現(xiàn)電平無變化，使用鑷子快速短接引腳，為檢測引腳引入3.3 V 的高電平，模擬正確檢測時打印紙狀態(tài)的電平變化，此時，液晶屏不顯示缺紙，表明故障由光電二級管損壞所致，更換光電二級管，故障排除[6]。

2.3.3 小結(jié)

紙張檢測是通過打印頭旁的一個光電二級管實現(xiàn)，其基本原理是，當(dāng)有打印紙時，二極管截止，輸出為高電平；無打印紙時，二極管導(dǎo)通，輸出為低電平；明確檢測原理后，可從其他地方引入電平來排除故障原因；此外，有時心電圖機(jī)打印心電波形及診斷信息后仍然會繼續(xù)出一段空白的打印紙，造成紙張浪費(fèi)，此故障主要是由不同廠家的打印紙差異所引起，部分廠家的打印紙底部不含黑標(biāo)檢測，若心電圖機(jī)的紙張標(biāo)記設(shè)置為有，則心電圖機(jī)將無法識別打印紙每一頁的起點(diǎn)，從而造成無法檢測，致使出現(xiàn)多一段空白打印紙的情況，此時，需將心電圖機(jī)的紙張標(biāo)記設(shè)置為無。

2.4 故障四

2.4.1 故障現(xiàn)象

SE-1200 Express 心電圖機(jī)開機(jī)后，心電模塊接口已連接導(dǎo)聯(lián)線，肢體導(dǎo)聯(lián)和胸導(dǎo)聯(lián)連接患者，發(fā)現(xiàn)液晶屏顯示全部導(dǎo)聯(lián)脫落，未出現(xiàn)心電波形。

2.4.2 故障分析及處理

維修人員檢查導(dǎo)聯(lián)線外觀，發(fā)現(xiàn)整體外觀完好，無破損，查看導(dǎo)聯(lián)接頭未發(fā)現(xiàn)松脫現(xiàn)象，且導(dǎo)聯(lián)接口插針緊密排列，無松動現(xiàn)象，使用萬用表測量導(dǎo)聯(lián)線接口端與每一個導(dǎo)聯(lián)接頭端之間的電阻，基本都在10 kΩ 左右（不同型號導(dǎo)聯(lián)線的阻值可能不同），表明導(dǎo)聯(lián)線未發(fā)生故障，初步確定該故障由心電板故障導(dǎo)致；測量心電板與主板連接接口J4的電壓，結(jié)果為5 V，電壓正常，用示波器檢測心電板與主板通信接口，發(fā)現(xiàn)發(fā)送信號（transmit，TX）引腳無信號發(fā)給主板，由此，確定是心電板出現(xiàn)了故障，拆下心電板的絕緣片、屏蔽罩，測量發(fā)現(xiàn)， MCU 周邊電壓測試點(diǎn)（板上絲印標(biāo)注有標(biāo)稱電壓值）的電壓正常，心電板器件無明顯損壞現(xiàn)象，使用示波器測量主芯片的晶振X1，發(fā)現(xiàn)晶振不啟振，由此可見，晶振損壞，更換同樣規(guī)格的晶振，心電板功能恢復(fù)正常，故障排除。

2.4.3 小結(jié)

心電圖機(jī)中使用頻率較高的附件，如導(dǎo)聯(lián)線、肢體夾、吸球等較易發(fā)生損壞，需定期更換配件。心電板發(fā)生所有導(dǎo)聯(lián)脫落，無心電波形或波形整體呈現(xiàn)干擾等故障時，應(yīng)關(guān)注供電電壓是否正常、晶振是否啟振、隔離光耦信號傳輸是否正常等。

3 總結(jié)

理邦的SE-1200 Express 心電圖機(jī)是一款比較成熟的機(jī)器，整機(jī)的故障率相對較低，發(fā)生故障較多的配件主要為常用的導(dǎo)聯(lián)線、肢體夾、吸球等。本文中所介紹的4例故障主要由元器件老化、使用磨損、器件使用壽命到期等因素所致；在維修該機(jī)時，需注意參照維修手冊及原理圖等，理清整體信號的大體走向，對可能涉及的故障芯片，可網(wǎng)上下載查閱芯片的規(guī)格說明書，以更好地掌握相關(guān)電路原理，診斷電路故障，同時，維修前應(yīng)充分觀察是否有損壞的痕跡。