引言

醫(yī)用警報(bào)系統(tǒng)是大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備（尤其是在重癥監(jiān)護(hù)室 (ICU) 中使用的那些設(shè)備）所需的子系統(tǒng)。為確保患者安全，這些醫(yī)療設(shè)備必須符合國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 制定的要求。IEC60601-1-8 標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了這些系統(tǒng)所需的警報(bào)相關(guān)元素，包括初級(jí)警報(bào)、冗余供電備用警報(bào)和視覺(jué)警報(bào)指示燈。此設(shè)計(jì)利用 MSPM0G150x 微控制器 (MCU) 提供初級(jí)警報(bào)、備用警報(bào)和視覺(jué)警報(bào)功能，從而提供符合 IEC60601-1-8 標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用警報(bào)。圖 1 所示為設(shè)計(jì)方框圖。

圖 1 設(shè)計(jì)方框圖

設(shè)計(jì)：關(guān)鍵特性

• 能夠播放任何標(biāo)準(zhǔn)或自定義警報(bào)
• 12 位、可調(diào)頻率（支持 48kHz+）高保真音頻。
• 128KB 內(nèi)部閃存和外部閃存選項(xiàng)。

設(shè)計(jì)：初級(jí)警報(bào)

使用 12 位 DAC，MSPM0G150x MCU 可以生成完全定制的醫(yī)用警報(bào)波形，從而允許設(shè)計(jì)人員使用其現(xiàn)有的獨(dú)特音頻警報(bào)內(nèi)容或 IEC 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提供的警報(bào)音頻。MSPM0 MCU 上的集成模擬運(yùn)算放大器允許對(duì)音頻放大器進(jìn)行電流測(cè)量以檢測(cè)故障，并可讓用戶選擇使用麥克風(fēng)進(jìn)行環(huán)境噪聲檢測(cè)。MCU 可在獨(dú)立模式下使用，或由主機(jī)處理器或控制器控制。此外，MCU 還集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間監(jiān)控和系統(tǒng)事件調(diào)度。

在正常運(yùn)行期間，可由 MSPM0 MCU 或外部主機(jī)觸發(fā)警報(bào)或自定義音頻文件。然后，MCU 從內(nèi)部或外部閃存讀取音頻序列，并將警報(bào)輸出到集成 12 位 DAC。DAC 輸出音頻波形被發(fā)送到 TPA6211A1 音頻放大器，由揚(yáng)聲器播放。12 位 DAC 可在可選頻率（例如 48kHz）下輸出音頻波形。如果僅使用內(nèi)部閃存并且需要高頻音頻輸出，則可以從音頻文件中提取個(gè)別音調(diào)。可將延遲間隔編程到 MCU 中以減小音頻文件的大小，這樣就可以將清晰的高、中和低警報(bào)信號(hào)放入 MCU 的內(nèi)部閃存中。另外，外部閃存選項(xiàng)可提供更大的存儲(chǔ)空間，從而簡(jiǎn)化音頻文件的上傳和播放方法。

設(shè)計(jì)：視覺(jué)警報(bào)和備用警報(bào)

在此設(shè)計(jì)中，視覺(jué)警報(bào)是通過(guò)讓 MCU 的通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳切換視覺(jué)警報(bào) LED 而實(shí)現(xiàn)的。備用警報(bào)是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：將超級(jí)電容器與相關(guān)的 TPS61094 超級(jí)電容器充電器、可選的 TPL5010 外部看門(mén)狗計(jì)時(shí)器（用于檢測(cè) MCU 故障）和 SN74LVC1G10 與非門(mén)搭配使用，以便在發(fā)生 MCU 或電源故障時(shí)觸發(fā)壓電警報(bào)。在此狀態(tài)期間，低功耗 MSPM0 MCU 能夠控制系統(tǒng)并從用戶輸入或在所需的三分鐘時(shí)間范圍之后終止備用警報(bào)。

測(cè)試結(jié)果：初級(jí)警報(bào)

高警報(bào)狀態(tài)的 DAC 輸出波形如圖 2 所示。關(guān)鍵波形特性（包括基本頻率、上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖間隔等）均在內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，以滿足 IEC60601-1-8 要求。

圖 2 高警報(bào)狀態(tài)波形

測(cè)試結(jié)果：重合檢測(cè)

重合檢測(cè)電路也通過(guò)測(cè)量 MSPM0G150x 內(nèi)部運(yùn)算放大器輸出進(jìn)行了測(cè)試。圖 3 中所示的脈沖顯示了通過(guò)測(cè)量 TPA6211A1 電流消耗得到的高警報(bào)狀態(tài)波形。如果揚(yáng)聲器出現(xiàn)故障（例如斷開(kāi)連接），電流波形會(huì)顯著減小。MCU 還可以分析波形本身，以檢測(cè)是否正在播放正確的音頻波形。為了獲得來(lái)自環(huán)境的額外反饋（例如環(huán)境噪聲或來(lái)自初級(jí)警報(bào)的聲音反饋），可將麥克風(fēng)添加為 MCU 的輸入。

圖 3 重合檢測(cè)波形

測(cè)試結(jié)果：初級(jí)警報(bào)合規(guī)性測(cè)試

為了滿足 IEC6060-1-8 要求，主醫(yī)用警報(bào)必須符合特定的諧波要求。具體來(lái)說(shuō)，至少有 4 個(gè)諧波需要與基頻的振幅相差 +/- 15dB。這些諧波可增強(qiáng)警報(bào)音的空間定位。圖 4 顯示了針對(duì)高警報(bào)狀態(tài)測(cè)量的諧波含量示例。圖中顯示，在該高警報(bào)狀態(tài)測(cè)試所需的范圍內(nèi)測(cè)量了六個(gè)諧波。

圖 4 諧波測(cè)試高警報(bào)狀態(tài)

結(jié)論

所介紹的設(shè)計(jì)提供了基于 MCU 的完整醫(yī)用警報(bào)系統(tǒng)實(shí)施方案，包括初級(jí)警報(bào)、備用警報(bào)和視覺(jué)警報(bào)。高保真定制警報(bào)、警報(bào)故障檢測(cè)和超級(jí)電容器備用功能等特性使該設(shè)計(jì)非常適合醫(yī)用警報(bào)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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2. 德州儀器 (TI)，揭秘醫(yī)用警報(bào)設(shè)計(jì)，第 2 部分：設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)有技術(shù)博客。
3. 德州儀器 (TI)，揭秘使用智能 DAC 的醫(yī)用警報(bào)設(shè)計(jì) 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)。
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