PM 8000多参数监护仪主控板的原理与维修

2012-11-16陈宏军丰光全王凤红

中国医疗设备 2012年9期

关键词：主控板监护仪时钟

陈宏军，丰光全，王凤红

北京老年医院器械科，北京 100095

PM 8000多参数监护仪主控板的原理与维修

陈宏军，丰光全，王凤红

北京老年医院器械科，北京 100095

本文根据PM8000型多参数监护仪主控板工作原理框图，阐述了PM8000型多参数监护仪主控板的工作原理，分析了主要元器件功能，总结了主控板的常见故障及原因。

多参数监护仪；心电图；无创血压；医疗设备维修

PM8000型多参数监护仪可实时检测人体的心电信号、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率和体温等重要参数，实现对各参数的监督报警、信息存储和传输，能为医学临床诊断提供重要的生理信息，在医疗诊治过程中发挥着重要作用。

主控板是多参数监护仪是最重要的部件之一，具有系统的控制、调度及管理；数据的处理、存储、显示、诊断及打印；网络传输等功能。

主控板与外部的互连包括电源输入和多路串口、薄膜场效应晶体管液晶显示器（Thin Film Transistor，TFT-LCD）屏接口、模拟视频图形阵列（Video Graphics Array，VGA）接口、网络接口、模拟输出等。板上保留OCD调试模式（Background Debugging Mode，BDM）接口用作软件调试和软件下载[1]。

PM8000型多参数监护仪主控板故障发生率较高，现将其工作原理及常见故障介绍如下。

1 工作原理

仪器开机后，闪存器U3、U4中存储的主程序被引导到内存中，主处理器U7进行运算处理，控制其他相应部件、模块工作。工作中，传感器采集的NIBP（无创血压）、ECG（心电图）及SpO2（血氧饱和度）等信号送到相应模块进行干扰抑制、信号滤波和放大等预处理，转换成电信号，信号经I/O（输入/输出）线、总线送到内存。主处理器根据预设程序指令对内存传来的各数据进行计算分析，结果与设定阈值比较，进行监督报警，将结果数据实时存储到闪存器，并经过总线传送到显示单元供显示。显示控制芯片图形处理器（Graphic Processing Unit，GPU）根据主处理器的要求，完成图像处理过程，并将最终图像，送入低压差分信号（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）发射端芯片，通过LCD液晶屏进行显示。主处理器将数据通过网络控制器、网络接口传送至护士中心工作站上，在PC机屏幕上实时显示，供医疗诊治使用。

2 主控板的硬件结构

主控板主要元器件表，见表1。主控板主要由4部分组成：CPU处理单元、显示单元、网络传输单元和I/O接口单元。原理框图，见图1。

表1 主控板主要元器件一览表

2.1 CPU处理单元

CPU处理单元主要元件有：CPU芯片、内存芯片和闪存芯片。

U7：Motorola公司生产的嵌入式控制器，ColdFire 5206E作为主控板的主CPU，工作电压在3.3 V，工作时钟54 MHz（X1）。它通过总线和I/O线与外围的ECG、NIBP、SpO2等模块相连接，对其进行通讯和控制，对模块反馈回来的数据进行处理并传送给相应的输出设备。

U3～U4：闪存（TE28F800）。采用两片Flash存储器芯片并联，为本机提供16M闪存。用来存储PM8000启动时运行的程序和常数。CPU的输出端口PP1用于Flash存储器的写保护，低电平有效。在需要更新软件版本时，通过BDM接头，即插座P7下载[1]。

U1～U2：动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），为内存。由两片1Mwords×16 bit的Hynix DRAM芯片并联，为本机提供32 M内存。

工作过程中，闪存中的程序被CPU引导到内存，CPU在内存中对数据进行运算处理。内存用来存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序，只用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，就会释放所有的存储空间，其中的程序和数据就会丢失。

2.2 显示单元

主要由显示控制芯片GPU、显存芯片、低压差分信号传输芯片U21构成。

U14：显示控制器GPU。Xilinx公司的具有串口控制功能的VGA显示芯片现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）XC2S50，作为主控板的GPU，工作电压3.3 V，显示时钟为38 MHz（X3）。U14还扩展出多路串口，这些串口与外部参数模块进行通讯。U14将收到的数据通过总线传递给CPU，CPU通过U14发送数据给各外部参数模块。

U10～U13：帧存储器（Video Random Access Memory，VRAM），显存芯片。由4片SRAM静态存储器构成，分为字符区和波形区两部分。显示屏上的可见信息是这两个区域中显示像素的叠加。用来存储显示芯片GPU（U14）运算处理的临时数据及程序。

U21：低压差分信号传输芯片，LVDS发送器。LVDS发送器将U14输出的并行RGB（红绿蓝）数据信号和控制信号转换成低电压串行LVDS信号，然后通过驱动板与液晶面板之间的柔性电缆（排线），将信号传送到液晶面板侧的LVDS接收器，LVDS接收器再将串行信号转换为TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平的并行信号，送往液晶屏进行显示控制。

CPU对采集的数据按照预设程序指令进行运算处理后，经I/O总线送到显示单元，GPU将显示数据存放到VRAM显存芯片，进行运算处理后，视频信号经低压差分信号传输芯片U21，送到LVDS输出端口，供本机LCD液晶显示屏显示。数字视频信号分成两路，一路通过P2送给机内的CRT（阴极射线管显示器）显示组件，另一路通过二极管/电阻网络合成后输送到P17（VGA）接口，驱动外部VGA显示器。

2.3 网络传输单元

网络传输单元主要由网络控制芯片U19、网络隔离变压器U20及网络存储器构成。

U19：网络控制器。采用台湾ASIX公司推出的兼容NE2000的快速以太网控制芯片Ax88796。工作时钟为25 MHz有源晶振（X4），可靠地保证了数据传输的精确同步性，大大减少了丢包的可能性。

U20：网络隔离变压器。网络隔离变压器又称数据汞，型号为FRECOM FM81-2319。U20可以增强传输信号，使信号传送的距离更远；又可使芯片端与外部隔离，增强抗干扰能力，对芯片增加了保护作用（如浪涌电压、雷击等）；当接到不同电平的网络接口时，不会对彼此设备造成影响。因此U20主要承担信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。

网络存储器：该机型网络传输采用共享内存方式，即网络传输时，网络存储器占用主机内存。

当有网络传输请求时，CPU将数据通过网络控制芯片、网络隔离变压器U20，输送到P15（NET）接口，再通过监护网络等设备，将实时的患者生命体征数据与中心工作站进行通讯传递。

2.4 输入输出接口单元

主控板上的I/O接口包括5个异步串口和1个I2C接口。U14 GPU扩展出多个串口。P8（CO/IBP）、P5（CO2）、P9（SpO2）及P6（ECG）等模块接口经U23与U14进行连接，P12（PCON）电源控制经U22与U14相连接，P14（NIBP）、P10（KB）键盘接口和P13（REC）记录仪接口经U24与U14相连接。

U22～U248路D触发器。外部输入的数据输送到相应的D触发器锁存，由片选信号选择数据的传输，从而实现串行数据通讯。串口工作的波特率来自CPU工作时钟。

U5（CAT24C161）E2PROM器件，主要功能是复位与存储用户设置参数。U5提供对主控板的复位控制，即开机上电或系统出现故障时，为CPU、GPU、网络控制器提供复位信号。其Vcc检测电路可使系统免受低电压的影响，当检测到最小工作电压时，系统将复位，直到Vcc返回到正常值为止。J1开路时，软件通过CPU输出口线PR0也可以禁止Watchdog（监视器），以提供Watchdog的自检。该芯片为I2C总线接口，连接到CPU的M-bus总线上。

U6：主控板的时钟芯片DS1337，见图2。主要功能有：时钟、日历、闹钟、周期性中断输出、32KHz时钟输出等。DS1337串行实时时钟芯片是一种低功耗、全部采用BCD码的时钟芯片。该芯片通过I2C接口与控制处理器芯片通信，提供稳定的总线时序给后续电路用，以完成芯片间的通信。BT1主板电池用于保存用户的设置参数信息以及维持实时时钟不掉电。

U25：D/A转换器采用MAX5102芯片，将CPU送来的ECG或IBP数字信号转换成模拟信号，经低通滤波和放大，提供给P16（模拟输出），进行输出。

B1：蜂鸣器。主控板CPU直接控制，用于对系统致命故障进行声音报警。

主控板的电源通过P11与电源板连接，电源包括5 V主电源、12 V模块工作电源和一路备用辅助电源。FPGA的3.3 V工作电源通过直流稳压器U11产生。12 V模块工作电源和串口信号合并后连接到各参数模块。

X1、X3～X4：为有源晶振。

3 故障与维修

3.1 故障一

3.1.1 故障现象

开机后，仪器黑屏无显示，但电源指示灯亮。3.1.2 故障分析与检修

白屏说明显示屏背光灯有供电，但不能正常显示主控板提供的显示数据。应考虑LVDS连接排线、LVDS芯片、屏坏、GPU、显存及主控板供电故障。首先，PM8000正常启动，排除主控板供电故障，按血压测量键听气泵是否有工作声音。通过PM8000后面VGA输出口外接显示器来排除GPU、显存是否工作正常[2]。外接显示器后，能正常显示监护仪工作界面，说明显示系统功能基本正常，可能是屏坏或屏排线松动导致接触不良。

按血压测量键听气泵有工作声音；外接显示器后，能正常显示监护仪工作界面；更换显示屏及排线后，故障依旧。LVDS接口无输出，重点检查U21芯片。用万用表测量U21第2、8、21脚电压，均无3.3 V工作电压。查贴片电阻R101及C90均正常。U21工作电压3.3 V由U16稳压后提供。一般引脚排列为1、地；2、出；3、入。测量U16有5 V电压输入，无3.3 V电压输出。U16为1117 M/33.3 V电源电压转换器，用一导线直接到该板上同型号电压转换器U18电压输出脚，短时开机显示正常。购买该同型号集成块更换后，故障排除。

3.2 故障二

3.2.1 故障现象

开机进入监护界面后，中间部分全部黑色，没有心电、血氧、呼吸等波形和文字显示。屏幕上方红色警示条显示“12V DC过低，系统时钟不存在。”

3.2.2 故障分析与检修

经检查DC12V电源输出正常，主板电池偏低，更换后故障依旧。故怀疑时钟电路问题。

此机使用的是DS1337实时时钟芯片，首先测量DS1337芯片的供电脚8为0 V，该芯片未得电工作。在DS1337和电池正极回路查找，未找到明显断路。用小刀将DS1337第8脚VCC端周围电路断开，用导线直接将电池正极引到DS1337第8脚。量DS1337的供电端，有3 V电压。将机器恢复，通电开机，报系统时钟需要重新设置，设置好时间，机器使用正常。

3.3 故障三

3.3.1 故障现象

开机后屏幕显示花屏，其他工作正常。

3.3.2 故障分析与检修

判断是连接线虚造成。打开机器，重新拔插液晶屏连接线，故障依旧。测量电源电压，正常。采用替换法，分别用正常机器的连接线、高压板、主板与故障机相应部件相替换后，开机检查。当主板替换后，故障机显示正常。将故障机的主板替换到正常机后，故障存在。确定是主板显示故障。显示控制器输出的数字视频信号一路通过P2送给机内的CRT显示组件，另一路通过二极管/电阻网络合成后驱动外部VGA显示器。外接VGA显示器显示正常，故排除显示主单元故障，判断故障应发生在显示传输过程。

故障机开机，用改锥敲击LVDS显示输出回路并从本机显示器中观察显示状况，当触及到U21外围几个管脚时，图像显示发生变化。故判断这几个管脚接触不良，用无水酒精清理干净，用热风枪对管脚进行补焊后，开机显示正常。故障排除。

3.4 故障四

3.4.1 故障现象

开机后，机器报“NIBP通讯错误”，按打气键不工作，其余工作正常。

3.4.2 故障分析与检修

此故障表明NIBP模块与主控板之间的通讯发生异常。检查NIBP模块与主控板之间的连接线连接可靠，故障应该出现在NIBP模块或主板上。将该机NIBP模块替换到正常机器上，工作正常，故判断主控板故障。用万用表重点测量主控板P14（NIBP接口）及U24周边电路。

经查贴片电阻R86/220Ω开路，造成NIBP模块与主控板通讯中断。更换此贴片电阻，机器工作恢复正常。

3.5 故障五

3.5.1 故障现象

开机后，机器报"网络初始化错误"，其余工作正常。

3.5.2 故障分析与检修

系统工作自检时，CPU未能同网络控制芯片处得到正常的通讯数据。分析问题主要有4方面：① 主控板上网卡芯片的供电电路出了问题，网卡芯片没有供电。检查主板上的主要元件有无烧伤的痕迹，用万用表测量网卡控制芯片周边及供电电路贴片电阻及电容有无短路、断路存在。在加电状态下，用万用表测网卡芯片供电端（VCC），看是否有电，如果没有则修理供电电路；② 网卡芯片损坏或虚焊。只能更换或补焊；③ 主板上网卡芯片的晶振振荡不正常，晶振损坏。用示波器测量振荡频率，不正常则更换；④ CPU同网络传输单元通讯线路故障。经检查网络控制芯片周边几个贴片电容对地短路，从旧板上拆下相同元件更换后，故障排除。