郭亚群 上海光电医用电子仪器有限公司 （上海 201401）

用于心电信号传输的全隔离高速通信器设计

郭亚群 上海光电医用电子仪器有限公司 （上海 201401）

本文以全隔离高速通信器的设计为研究目标，介绍了通信器的设计方案、详细设计以及PCB布线策略。实验表明，全隔离高速通信器对防止PC端的噪声、工频干扰有显著效果，可以满足心电信号高速传输的需求。

心电图 全隔离 串口通信 高速

心脏整体都是由肌肉组成的，通过肌肉的收缩将血液输送至全身，实现二氧化碳和氧气的交换，把消化系统吸收的营养送至全身。为了让全身的血液高效地循环，心脏进行着非常精密的运动，因此，心电信号的处理是生物医学领域重要的研究课题[1]。心电图机就是使心脏发生的电现象可视化，评价心脏状态的基本检查设备。通过获得多个导联的波形，可以充分诊断患者的信息，提高准确性。

心电信号较为微弱，且数据量大，易受到噪声干扰，需要一种通信速率快，隔离效果好，性能稳定的通讯模块。当前PC上板载RS-232模块通信速率高达921.6kbps，现有的TTL转RS-232的通讯模块的通信速率远低于此值，且无隔离功能，抗干扰能力差。复杂的系统易造数据丢失、影响其稳定性。

本文介绍的是一种全隔离高速串口通信器，实现了PC端和心电图机全隔离，及心电的TTL信号/RS-232信号的转换，发挥了计算机硬件的处理能力，确保了心电信号的高保真还原，简化了应用端的设计难度。

1.方案设计

传统方案速率低，数据易丢失；此外缺乏隔离功能，应用端连接PC后，浮地在PC端被短路，开发产品时的分地设计失效，无法满足式样要求。同时在PC端引入了工频干扰，数据的准确性降低，增加了测试时间。

针对该问题，采用RS-232高速隔离通信器的设计方案，信号采集单元的不同浮地间相互独立。回路的面积降低，减小外部噪声对TTL信号的影响，抑制了PC端对心电图机TTL信号的工频干扰，保证采集信号的准确性，缩短测试时间。

图1. 系统框图

图2. 电源供给单元

图3. 输入隔离单

图1是全隔离高速通信器框图，可以分为输入滤波、隔离、信号变换和输出滤波4个部分。为降低噪声的影响，在输入端和输出端加入滤波模块。为实现信号采集源和转换电路的隔离，中间环节采用磁耦合技术，使得两部分电路独立工作，消除信号转换前后的相互作用。

2.电气设计

2.1 电源供给单元

图2是电源供给单元，采用对称设计，电源模块（U1）输入端的3.3V取自信号采集端，GNDF与TTL信号共地，输出5V为U2、U3的VDD2供电，满载输出功率1W。输入端C1、C2、C3和输出端C4、C22、C23电容滤波，减少输入和输出的纹波，磁珠FB1、FB2抑制电磁辐射干扰。

2.2 信号隔离单元

图3是信号隔离单元，U2、U3是双通道磁耦合数字隔离器，采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，功耗为光电耦合器的1.6%～10%，具有直流校正功能。信号输入端有6个引脚，包括：3.3V（Pin6），GNDF（Pin5），T_ X（Pin4），R_X（Pin3），RT_S（Pin2），CT_S（Pin1），提供四通道的信号传输回路。R1&C5，R2&C6，R3&C7和R4&C8四组RC低通滤波器，根据式（1）计算滤波器的截止频率为700kHz[2]

图4. 信号转换单元

图5. PCB布线图

2.3 信号转换单元

图4是信号转换单元，采用MAX3225芯片，是5V供电的EIA/TIA-232和V.28/V.24通信接口，驱动电流最小1μA，最高速率1Mbps，具有自动关机/唤醒功能，±15kV静电放电保护，高数据速率的能力。

信号经过U2、U3之后通过U4进行电平转换，U4上电后，点亮LED2，提示U4进入工作状态。信号转换后进行二次滤波后，通过磁珠FB3、FB4、FB5和FB6，抑制高频噪声和尖峰干扰，吸收静电脉冲，对应EMC测试。

2.4 PCB布线方案

图5是该方案的PCB布线图，①是信号输入区域，信号输入滤波时，优先接入电容，参照PCB板上微带线和带状线的阻抗的计算方法式（2）和式（3）计算布线阻抗，选择合理走线[5]。

走线到参考平面的距离：h1

PCB板材质的介电常数：εr

Design of Fully Isolated High Speed Communicator for ECG Signal Transmission

GUO Ya-qun Shanghai Kohen medical electronic instrument corp. (Shanghai 201401)

This article introduces the design of the fully isolated communication device, including the solution and detailed design, and the PCB layout strategy. The experiments confrmed that the full isolation of high-speed communication devices had a signifcant effect to prevent PC-side noise, work frequency interference. The communication device can meet the needs of high-speed electrocardiogram(ECG) signal transmission.

ECG, Fully isolated, Serial communication, High-speed

1006-6586(2016)12-0001-02

R197.39

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