聚焦超声治疗设备的EFT耦合特性与抗扰度研究

摘要

背景:医用电气设备EMC性能的好与坏会直接影响患者及操作者的安全。CFDA于2012年颁布了YY0505-2012《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准电磁兼容要求以及试验》，规定所有医用电气设备必须通过EMC测试，已在2014年1月开始强制执行。
　　EFT试验是EMC传导抗扰度试验中的重要试验项目，其目的在于测试医用电气设备在遭受暂态干扰作用时的性能。小型HIFU治疗设备由于空间和结构较小，系统布局和布线一般较为紧凑，线缆间的瞬态干扰耦合严重，因此EFT抗扰度问题也往往更为突出。
　　目的:分析小型HIFU治疗设备内部EFT耦合特性，评估其EFT抗扰度，进而提高小型HIFU治疗设备或其他医用电气设备的EFT抗扰度，使其EMC性能符合被强制性执行的YY0505-2012的规定。
　　方法:
　　1.EFT线缆耦合特性分析
　　为研究EFT线缆间耦合特性，构建了双平行线模型。基于传输线理论，借助CST软件，对EFT线缆耦合特性开展了数值仿真计算，系统研究了不同激励电压、线缆间距、线缆离地高度以及线缆负载条件下线缆间EFT耦合特性。
　　2.基于统计分析的多协议单片机数据通信系统的EFT抗扰度研究
　　为模拟电源线缆以及数据通信线间EFT耦合，及其对系统或设备数据通信的影响，设计了含有USART、I2C、SPI、RS232四种数据通信协议的单片机数据通信系统，并搭建了EFT抗扰度实验平台。基于步进法进行了多次EFT抗扰度试验，获取了多个EFT干扰阈值电压数据。
　　由于EFT抗扰度测试结果存在一定随机性，为更合理地评判系统抗扰度，采用数理统计方法对多协议数据通信系统EFT干扰阈值分布规律进行了研究。基于不同通信协议下单片机数据通信系统的多个EFT干扰阈值电压数据，根据卡方拟合优度检验方法以及汉南-奎因信息准则，从假设模型中选取了最优的Gamma分布模型，用于试验数据的拟合分析，进而研究了不同通信协议下单片机数据通信系统EFT干扰阈值电压的分布规律，并比较了不同协议下系统EFT抗扰度。
　　结果:
　　1.随着EFT激励电压的升高，受试线两端的耦合电压峰值逐渐增加，但波形基本一致。在激励电压是250V时，耦合电压峰值等于12.04V，而激励电压上升至1000V时，峰值却高达47.63V。伴随线缆间距变宽，线缆之间耦合强度将逐步减弱，但在间距为13cm时，耦合电压峰值仍高达22.03V。
　　2.线缆离地高度较低时，耦合电压较低，随着高度上升，耦合电压也逐步升高，但上升到2.5m处，峰值开始趋于稳定，其值高达158V。当仅改变激励线缆末端负载时，激励电压与耦合电流成正比。而当改变受试线缆前端或末端负载时，耦合电压与对应负载成正比。
　　3.当特定波特率为9600bps时，I2C、SPI、USART、RS232通信协议下单片机数据通信系统的EFT干扰阈值电压分别为920V、1259V、995V、1686V。而当激励电压为1000V时，I2C、SPI、USART、RS232数据通信下系统受干扰的概率分别为62.7%、3.21%、46.2%、0.0000796%。
　　结论:
　　1.激励电压、线缆间距、线缆离地高度以及线缆负载对EFT线缆耦合特性都有着较大的影响。在线缆间距较宽时，由EFT辐射所引起的线缆耦合仍然是较强的，如若抑制措施不当，足以对电子电路形成严重的干扰。线缆离地高度在很大程度上影响了EFT线缆耦合。因此，是否有接地金属机架或金属机箱将对EFT耦合产生较大的影响。通过减小线缆接地电阻或与电源间的上拉电阻可以适当减小耦合电压峰值。EFT线缆耦合特性研究对于医疗设备或其他电气设备的EFT抑制以及系统的总体布线都有着比较重要的指导意义。
　　2.运用数理统计方法获取设备或系统的EFT干扰阈值电压，可以避免EFT抗扰度测试结果中的随机性，合理地评估系统的EFT抗扰度。不同数据通信协议对应着不一样的电气特性以及数据传输方式，其EFT抗扰度也有所差异。在一定波特率下，不同通信协议下系统的抗扰度由低到高依次为I2C、USART、SPI、RS232。为改善数据通信的抗扰性和提高系统整体的EFT抗扰度，系统内部或者线路板内的数据通信可优先选择SPI通信，而系统间或线路板间的数据通信可优先选择RS232的通信方式。此外，线缆间的EFT耦合能量和线缆长度或间距直接相关。因此，合理的系统布线设计对提高电子系统或设备的EFT抗扰度至关重要。

目录

声明

英汉缩略语名词对照

前言

第一部分 EFT线缆耦合数值计算分析

1 计算模型与方法

1.1 计算模型

1.2 计算方法

1.3 激励波形

2 仿真结果与验证

2.1 仿真结果

2.2 实验验证

3 讨论

小结

第二部分 基于统计分析的多协议单片机数据通信系统EFT抗扰度研究

1 实验系统与方法

1.1 实验系统搭建

1.2 分析方法与步骤

2 统计分析结果

2.1 SPI通信下系统的EFT抗扰度分析

2.2 I2C通信下系统的EFT抗扰度分析

2.3 USART通信下系统EFT抗扰度分析

2.4 RS232通信下系统EFT抗扰度分析

3 讨论

小结

全文总结

参考文献

文献综述：HIFU治疗系统传导干扰耦合机理与抑制技术研究

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文