PM8000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板的原理與維修

1、圖1 PM8000主控板工作原理框圖PM 8000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板的原理與維修Principle and Troubleshooting of Main-Board for PM 8000Multi-parameter MonitorPM8000 型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀可實時檢測人體的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數(shù)，實 現(xiàn)對各參數(shù)的監(jiān)督報警、信息存儲和傳輸，能為醫(yī)學(xué)臨床診 斷提供重要的生理信息，在醫(yī)療診治過程中發(fā)揮著重要作用。主控板是多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是最重要的部件之一，具有系 統(tǒng)的控制、調(diào)度及管理 ；數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示、診斷 及打印 ；網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。主控板與外部的互連包

2、括電源輸入和多路串口、薄膜場 效應(yīng)晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor，TFT-LCD）屏 接口、模擬視頻圖形陣列（Video Graphics Array，VGA）接口、 網(wǎng)絡(luò)接口、模擬輸出等。板上保留 OCD 調(diào)試模式（Background Debugging Mode，BDM）接口用作軟件調(diào)試和軟件下載 1。PM8000 型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板故障發(fā)生率較高，現(xiàn)將 其工作原理及常見故障介紹如下。1 工作原理儀器開機(jī)后，閃存器 U3、U4 中存儲的主程序被引 導(dǎo)到內(nèi)存中，主處理器 U7 進(jìn)行運(yùn)算處理，控制其他相 應(yīng)部件、模塊工作。工作中，傳感器采集的 NIBP（無 創(chuàng)血

3、壓）、ECG（心電圖）及 SpO2（血氧飽和度）等信 號送到相應(yīng)模塊進(jìn)行干擾抑制、信號濾波和放大等預(yù)處 理，轉(zhuǎn)換成電信號，信號經(jīng) I/O（輸入 / 輸出）線、總 線送到內(nèi)存。主處理器根據(jù)預(yù)設(shè)程序指令對內(nèi)存?zhèn)鱽淼母鲾?shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，結(jié)果與設(shè)定閾值比較，進(jìn)行監(jiān)督報警，將結(jié)果數(shù)據(jù)實時存儲到閃存器，并經(jīng)過總線傳送 到顯示單元供顯示。顯示控制芯片圖形處理器（Graphic Processing Unit，GPU）根據(jù)主處理器的要求，完成圖 像處理過程，并將最終圖像，送入低壓差分信號（Low- Voltage Differential Signaling，LVDS）發(fā)射端芯片，通 過 LCD 液晶屏進(jìn)行顯

4、示。主處理器將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)控 制器、網(wǎng)絡(luò)接口傳送至護(hù)士中心工作站上，在 PC 機(jī)屏 幕上實時顯示，供醫(yī)療診治使用。2 主控板的硬件結(jié)構(gòu)主控板主要元器件表，見表 1。主控板主要由 4 部分 組成 ：CPU 處理單元、顯示單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單元和 I/O 接 口單元。原理框圖，見圖 1。收稿日期：2012-03-22修回日期：2012-08-27作者簡介：陳宏軍，工程師。研究方向：醫(yī)療設(shè)備的管理、使 用、維修與保養(yǎng)。作者郵箱：lnyyxxk138中國醫(yī)療設(shè)備 2012年第27卷 09期 VOL.27 No.09陳宏軍，豐光全，王鳳紅北京老年醫(yī)院 器械科，北京 100095CHEN Hong-jun,

5、FENG Guang-quan, WANG Feng-hongEquipment Department, Beijing Geriatric Hospital, Beijing 100095, China摘 要 本文根據(jù)PM8000型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板工作原理框圖，闡 述了PM8000型多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主控板的工作原理，分析了主要元器 件功能，總結(jié)了主控板的常見故障及原因。關(guān)鍵詞 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀；心電圖；無創(chuàng)血壓；醫(yī)療設(shè)備維修中圖分類號 TH776 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.043 文章編號 1674-1633(2012)09-0138

6、-04設(shè)備運(yùn)行與保障OPERATION & GUARANTEE FOR INSTRUMENTS表1 主控板主要元器件一覽表序號元件編號型號名稱功能及用途連接CPU和其他設(shè)備的通道，起到緩沖和數(shù)據(jù)交換作用。 存儲程序及數(shù)據(jù)。 EEPROM存儲器、復(fù)位控制器、Watchdog 主CPU。1U1U2hynix GM71V18163CT6動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（內(nèi)存芯片）23456U3U4U5U7U8U10U13intel TE28F800CSI1161JMotorola Coldfire 5206E HC00winbond W24L010AJ-153伏啟動塊閃存EEPROM存儲器 嵌入式控制器

7、CPU 四組2輸入端與非門 VRAM:顯存芯片,幀存儲器。存儲顯示芯片所處理的數(shù)據(jù)信息。GPU，負(fù)責(zé)處理由CPU發(fā)來的數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生的結(jié)果顯示在顯示器上。7U14XILINX XC2S50FPGA（可編程門陣列）芯片8910U15U16、U18U19LM3581117M3ASIX AX88796雙運(yùn)算放大器3.3V電源電壓轉(zhuǎn)換器 快速以太網(wǎng)控制器為芯片提供3.3V工作電壓。兼容NE2000的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制芯片。 信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號雜波抑制和電平隔離。 LVDS接口控制。11U20FRECOM FM81-2319網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器121314U21U22U24U25DS90CF363

8、AMTDPI74FCT MAX5102低壓差分信號傳輸8路D觸發(fā)器 D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。提供秒、分、時、日期、星期、月、年等日歷信息。15ds1337實時時鐘芯片2.1 CPU處理單元CPU 處理單元主要元件有 ：CPU 芯片、內(nèi)存芯片和閃 存芯片。U7 ：Motorola 公司生產(chǎn)的嵌入式控制 器，ColdFire5206E 作為主控板的主 CPU，工作電壓在 3.3 V，工作時鐘54 MHz（X1）。它通過總線和 I/O 線與外圍的 ECG、NIBP、 SpO2 等模塊相連接，對其進(jìn)行通訊和控制，對模塊反饋回 來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備。U3U4 ：閃存（TE2

9、8F800）。采用兩片 Flash 存儲器芯 片并聯(lián)，為本機(jī)提供 16M 閃存。用來存儲 PM8000 啟動時 運(yùn)行的程序和常數(shù)。CPU 的輸出端口 PP1 用于 Flash 存儲 器的寫保護(hù)，低電平有效。在需要更新軟件版本時，通過 BDM 接頭，即插座 P7 下載 1。U1U2 ：動態(tài)隨機(jī)存取存儲 器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），為內(nèi)存。由兩片 1Mwords×16 bit 的 Hynix DRAM 芯片并聯(lián)，為本機(jī)提供 32 M 內(nèi)存。工作過程 中，閃存中的程序被 CPU 引導(dǎo)到內(nèi) 存， CPU 在內(nèi)存中對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。內(nèi)存用來存放當(dāng)

10、前 正在使用的（即執(zhí)行中）的數(shù)據(jù)和程序，只用于暫時存 放程序和數(shù)據(jù)，一旦關(guān)閉電源或發(fā)生斷電，就會釋放所 有的存儲空間，其中的程序和數(shù)據(jù)就會丟失。2.2 顯示單元主要由顯示控制芯片 GPU、顯存芯片、低壓差分信號 傳輸芯片 U21 構(gòu)成。U14 ：顯示控制器 GPU。Xilinx 公司的具有串口控 制功能的 VGA 顯示芯片現(xiàn)場可編程門陣 列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）XC2S50，作為主控板的GPU，工作電壓 3.3 V，顯示時鐘為 38 MHz（X3）。U14 還擴(kuò)展出多路串口，這些串口與外部參數(shù)模塊進(jìn)行通訊。U14 將收到的數(shù)據(jù)通過總線傳遞給 C

11、PU，CPU 通過 U14 發(fā)送數(shù) 據(jù)給各外部參數(shù)模塊。U10U13 ：幀 存 儲 器（Video Random Access Memory， VRAM），顯存芯片。由 4 片 SRAM 靜態(tài)存儲器構(gòu)成，分為 字符區(qū)和波形區(qū)兩部分。顯示屏上的可見信息是這兩個區(qū) 域中顯示像素的疊加。用來存儲顯示芯片 GPU（U14）運(yùn) 算處理的臨時數(shù)據(jù)及程序。U21 ：低壓差分信號傳輸芯片，LVDS 發(fā)送器。LVDS 發(fā)送器將 U14 輸出的并行 RGB（紅綠藍(lán)）數(shù)據(jù)信號和控 制信號轉(zhuǎn)換成低電壓串行 LVDS 信號，然后通過驅(qū)動板 與液晶面板之間的柔性電纜（排線），將信號傳送到液晶 面板側(cè)的 LVDS 接收器，

12、LVDS 接收器再將串行信號轉(zhuǎn) 換為 TTL（晶體管 - 晶體管邏輯電平）電平的并行信號， 送往液晶屏進(jìn)行顯示控制。CPU 對采集的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)程序指令進(jìn)行運(yùn)算處理后， 經(jīng) I/O 總線送到顯示單元，GPU 將顯示數(shù)據(jù)存放到 VRAM 顯存芯片，進(jìn)行運(yùn)算處理后，視頻信號經(jīng)低壓差分信號傳 輸芯片 U21，送到 LVDS 輸出端口，供本機(jī) LCD 液晶顯示 屏顯示。數(shù)字視頻信號分成兩路，一路通過 P2 送給機(jī)內(nèi)的 CRT（陰極射線管顯示器）顯示組件，另一路通過二極管 / 電阻網(wǎng)絡(luò)合成后輸送到 P17（VGA）接口，驅(qū)動外部 VGA 顯示器。2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元網(wǎng)絡(luò)傳輸單元主要由網(wǎng)絡(luò)控制芯片 U19

13、、網(wǎng)絡(luò)隔離變 壓器 U20 及網(wǎng)絡(luò)存儲器構(gòu)成。中國醫(yī)療設(shè)備 2012年第27卷 09期 VOL.27 No.09 139圖2 DS1337實時時鐘芯片設(shè)備運(yùn)行與保障OPERATION & GUARANTEE FOR INSTRUMENTSU19 ：網(wǎng)絡(luò)控制器。采用臺灣 ASIX 公司推出的兼容NE2000 的快速以太網(wǎng)控制芯片 Ax88796。工作時鐘為 25MHz 有源晶振（X4），可靠地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_同步 性，大大減少了丟包的可能性。U20 ：網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器又稱數(shù)據(jù)汞， 型號為 FRECOM FM81-2319。U20 可以增強(qiáng)傳輸信號，使 信號傳送的距離更遠(yuǎn)

14、 ；又可使芯片端與外部隔離，增強(qiáng)抗 干擾能力，對芯片增加了保護(hù)作用（如浪涌電壓、雷擊等）； 當(dāng)接到不同電平的網(wǎng)絡(luò)接口時，不會對彼此設(shè)備造成影響。 因此 U20 主要承擔(dān)信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、信號 雜波抑制和高電壓隔離等作用。網(wǎng)絡(luò)存儲器 ：該機(jī)型網(wǎng)絡(luò)傳輸采用共享內(nèi)存方式，即 網(wǎng)絡(luò)傳輸時，網(wǎng)絡(luò)存儲器占用主機(jī)內(nèi)存。當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)傳輸請求時，CPU 將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)控制芯片、 網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器 U20，輸送到 P15（NET）接口，再通過監(jiān) 護(hù)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，將實時的患者生命體征數(shù)據(jù)與中心工作站 進(jìn)行通訊傳遞。2.4 輸入輸出接口單元主控板上的 I/O 接口包括 5 個異步串口和1個 I2C 接 口。U14

15、 GPU 擴(kuò)展出多個串 口。P8（CO/IBP）、P5B1 ：蜂鳴器。主控板 CPU 直接控制，用于對系統(tǒng)致命故障進(jìn)行聲音報警。主控板的電源通過 P11 與電源板連接，電源包括 5 V 主電源、12 V 模塊工作電源和一路備用輔助電源。FPGA 的 3.3 V 工作電源通過直流穩(wěn)壓器 U11 產(chǎn)生。12 V 模塊工 作電源和串口信號合并后連接到各參數(shù)模塊。X1、X3X4 ：為有源晶振。3 故障與維修3.1 故障一3.1.1 故障現(xiàn)象 開機(jī)后，儀器黑屏無顯示，但電源指示燈亮。3.1.2 故障分析與檢修 白屏說明顯示屏背光燈有供電，但不能正常顯示主控板提供的顯示數(shù)據(jù)。應(yīng)考慮 LVDS 連接排線、L

16、VDS 芯片、 屏壞、GPU、顯存及主控板供電故障。首先，PM8000 正常 啟動，排除主控板供電故障，按血壓測量鍵聽氣泵是否有 工作聲音。通過 PM8000 后面 VGA 輸出口外接顯示器來排 除 GPU、顯存是否工作正常 2。外接顯示器后，能正常顯 示監(jiān)護(hù)儀工作界面，說明顯示系統(tǒng)功能基本正常，可能是 屏壞或屏排線松動導(dǎo)致接觸不良。按血壓測量鍵聽氣泵有工作聲音 ；外接顯示器后，能 正常顯示監(jiān)護(hù)儀工作界面 ；更換顯示屏及排線后，故障依 舊。LVDS 接口無輸出，重點(diǎn)檢查 U21 芯片。用萬用表測量 U21 第 2、8、21 腳電壓，均無 3.3 V 工作電壓。查貼片電阻 R101 及 C90

17、均正常。U21 工作電壓 3.3 V 由 U16 穩(wěn)壓后提供。 一般引腳排列為 1、地 ；2、出 ；3、入。測量 U16 有 5 V 電 壓輸入，無 3.3 V 電壓輸出。U16 為 1117 M/33.3 V 電源電壓 轉(zhuǎn)換器，用一導(dǎo)線直接到該板上同型號電壓轉(zhuǎn)換器 U18 電壓 輸出腳，短時開機(jī)顯示正常。購買該同型號集成塊更換后， 故障排除。3.2 故障二3.2.1 故障現(xiàn)象 開機(jī)進(jìn)入監(jiān)護(hù)界面后，中間部分全部黑色，沒有心電、血氧、呼吸等波形和文字顯示。屏幕上方紅色警示條顯示 “12V DC 過低，系統(tǒng)時鐘不存在?！?.2.2 故障分析與檢修經(jīng)檢查 DC12V 電源輸出正常，主板電池偏低，更換

18、后（CO2）、P9（SpO2） 及 P6（ECG）等模塊接口經(jīng) U23與 U14 進(jìn) 行 連 接，P12（PCON）電源控制經(jīng) U22 與 U14 相連接，P14（NIBP）、P10（KB）鍵盤接口和 P13（REC）記錄儀接口經(jīng) U24 與 U14 相連接。U22U248路D 觸發(fā)器。外部輸入的數(shù)據(jù)輸送到相應(yīng)的 D 觸發(fā)器鎖存，由片選信號選擇數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)串行 數(shù)據(jù)通訊。串口工作的波特率來自 CPU 工作時鐘。U5（CAT24C161）E2PROM 器件，主要功能是復(fù)位與 存儲用戶設(shè)置參數(shù)。U5 提供對主控板的復(fù)位控制，即開機(jī) 上電或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為 CPU、GPU、網(wǎng)絡(luò)控制器提供

19、復(fù)位信號。其 Vcc 檢測電路可使系統(tǒng)免受低電壓的影響， 當(dāng)檢測到最小工作電壓時，系統(tǒng)將復(fù)位，直到 Vcc 返回到 正常值為止。J1 開路時，軟件通過 CPU 輸出口線 PR0 也 可以禁止 Watchdog（監(jiān)視器），以提供 Watchdog 的自檢。 該芯片為 I2C 總線接口，連接到 CPU 的 M-bus 總線上。U6 ：主控板的時鐘芯片 DS1337，見圖 2。主要功能有 ： 時鐘、日歷、鬧鐘、周期性中斷輸出、32KHz 時鐘輸出等。 DS1337 串行實時時鐘芯片是一種低功耗、全部采用 BCD 碼的時鐘芯片。該芯片通過 I2C 接口與控制處理器芯片通 信，提供穩(wěn)定的總線時序給后續(xù)電

20、路用，以完成芯片間的 通信。BT1 主板電池用于保存用戶的設(shè)置參數(shù)信息以及維 持實時時鐘不掉電。U25 ：D/A 轉(zhuǎn)換器采用 MAX5102 芯片，將 CPU 送來的 ECG 或 IBP 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)低通濾波和放大， 提供給 P16（模擬輸出），進(jìn)行輸出。140中國醫(yī)療設(shè)備 2012年第27卷 09期 VOL.27 No.09設(shè)備運(yùn)行與保障OPERATION & GUARANTEE FOR INSTRUMENTS故障依舊。故懷疑時鐘電路問題。此機(jī)使用的是 DS1337 實時時鐘芯片，首先測量 DS1337 芯片的供電腳8為0 V，該芯片未得電工作。在 DS1337 和 電

21、池正極回路查找，未找到明顯斷路。用小刀將 DS1337 第 8 腳 VCC 端周圍電路斷開，用導(dǎo)線直接將電池正極引到 DS1337第8 腳。量 DS1337 的供電端，有 3 V 電壓。將機(jī)器 恢復(fù)，通電開機(jī)，報系統(tǒng)時鐘需要重新設(shè)置，設(shè)置好時間， 機(jī)器使用正常。3.3 故障三3.3.1 故障現(xiàn)象 開機(jī)后屏幕顯示花屏，其他工作正常。3.3.2 故障分析與檢修 判斷是連接線虛造成。打開機(jī)器，重新拔插液晶屏連接線，故障依舊。測量電源電壓，正常。采用替換法，分 別用正常機(jī)器的連接線、高壓板、主板與故障機(jī)相應(yīng)部件 相替換后，開機(jī)檢查。當(dāng)主板替換后，故障機(jī)顯示正常。 將故障機(jī)的主板替換到正常機(jī)后，故障存在

22、。確定是主板 顯示故障。顯示控制器輸出的數(shù)字視頻信號一路通過 P2 送 給機(jī)內(nèi)的 CRT 顯示組件，另一路通過二極管 / 電阻網(wǎng)絡(luò)合 成后驅(qū)動外部 VGA 顯示器。外接 VGA 顯示器顯示正常， 故排除顯示主單元故障，判斷故障應(yīng)發(fā)生在顯示傳輸過程。故障機(jī)開機(jī)，用改錐敲擊 LVDS 顯示輸出回路并從 本機(jī)顯示器中觀察顯示狀況，當(dāng)觸及到 U21 外圍幾個管 腳時，圖像顯示發(fā)生變化。故判斷這幾個管腳接觸不良， 用無水酒精清理干凈，用熱風(fēng)槍對管腳進(jìn)行補(bǔ)焊后，開 機(jī)顯示正常。故障排除。3.4 故障四3.4.1 故障現(xiàn)象開機(jī)后，機(jī)器報“NIBP 通訊錯誤”，按打氣鍵不工作， 其余工作正常。3.4.2 故障

23、分析與檢修此故障表明 NIBP 模塊與主控板之間的通訊發(fā)生異常。 檢查 NIBP 模塊與主控板之間的連接線連接可靠，故障應(yīng) 該出現(xiàn)在 NIBP 模塊或主板上。將該機(jī) NIBP 模塊替換到 正常機(jī)器上，工作正常，故判斷主控板故障。用萬用表重 點(diǎn)測量主控板 P14（NIBP 接口）及 U24 周邊電路。經(jīng)查貼片電阻 R86/220 開路，造成 NIBP 模塊與主控板通訊中斷。更換此貼片電阻，機(jī)器工作恢復(fù)正常。3.5 故障五3.5.1 故障現(xiàn)象開機(jī)后，機(jī)器報 " 網(wǎng)絡(luò)初始化錯誤 "，其余工作正常。3.5.2 故障分析與檢修系統(tǒng)工作自檢時，CPU 未能同網(wǎng)絡(luò)控制芯片處得到正 常的通訊數(shù)據(jù)。分析問題主要有 4 方面 ： 主控板上網(wǎng)卡 芯片的供電電路出了問題，網(wǎng)卡芯片沒有供電。檢查主板 上的主要元件有無燒傷的痕跡，用萬用表測量網(wǎng)卡控制芯 片周邊及供電電路貼片電阻及電容有無短路、斷路存在。 在加電狀態(tài)下，用萬用表測網(wǎng)卡芯片供電端（VCC），看是 否有電，如果沒有則修理供電電路 ； 網(wǎng)卡芯片損壞或虛 焊。只能更換或補(bǔ)焊 ； 主板上網(wǎng)卡芯片的晶振振蕩不正 常，晶振損壞。用示波器