用于撞击伤分析的信号处理、同步撞击控制器研制

作者：荆西京　王健琪　杨国胜　王海滨　李洪义

【关键词】 ，处理器
　　关键词: 处理器;同步;撞击控制;电路
　　摘 要: 论述了XZ-1型信号处理、同步撞击控制器的信号处理电路和同步控制电路的设计，该系统可应用于胸部、脑部、腹部等撞击伤的研究项目，是同步撞击系统的主要设备.
　　
　　Keywords:processor;synchronization;striking control;cir-cuit
　　
　　Abstract:To discuss design of signal processing and syn-chronous controlling circuit in XZ-1signal processing&&syn-chronous striking controller.This controller is main part of synchronous striking system which has been applied to re-search projects with chest，brain，abdomen contusion.
　　
　　0 引言
　　同步撞击系统是研究撞击伤必不可少的设备.撞击伤研究表明:撞击伤的伤害程度除与撞击部位、撞击力相关外，与撞击发生时刻生理信号间期紧密相关.同步撞击系统是以动物的生理信号为同步信号，在生理信号间期内的选定时刻，对动物研究部位实施撞击，产生撞击伤，进而研究撞击伤的发生机制以及救治方法.
　　XZ-1型信号处理、同步撞击控制器与撞击速度检测器、系统延迟时间检测电路、显示/记录设备、活塞气动式撞击机一起，构成同步撞击系统.我们仅就其中的信号处理、同步撞击控制电路的设计加以论述.
　　1 总体设计
　　XZ-1型信号处理、同步撞击控制器的总体框图（Fig1）.从图中可知，电路主要由信号处理、同步信号选择、显示/记录接口、同步撞击控制以及电源电路组成.
　　
　　1.1 工作原理 生理信号由信号处理器处理后，输出稳定、具有一定幅度的生理信号，经同步信号选择电路送入同步撞击控制器，形成同步脉冲信号，再经同步击发脉冲形成电路，形成可调节的同步击发脉冲，控制输出电路，使撞击机实现同步撞击机.
　　
　　图1 略
　　
　　1.2 信号处理器的组成及要求 信号处理器的组成方框图（Fig2）.它由心电信号放大器、张力/压力信号放大器以及外接输入信号处理器组成.
　　对信号处理器的要求:信号处理器要为同步撞击控制器提供稳定、且具有一定幅度的信号，以形成同步脉冲信号，就要求信号处理器具有对弱信号放大和抗50Hz，随机脉冲干扰以及抑制零点漂移的能力.使同步撞击控制器在可靠形成同步脉冲同时，避免因干扰而引起同步撞击控制器的误动作，产生意外.这除在控制电路和电源电路采取措施外，在信号处理电路中，也须采取措施.所以，对信号处理电路的要求如下:高共模抑制比;低噪声;高增益;低漂移.
　　图2 略
　　
　　1.3 同步撞击控制器的组成及要求 同步撞击控制器的组成方框图（Fig3）.它由同步脉冲形成、同步击发脉冲产生、同步击发脉冲展宽、自动闭锁等电路组成.
　　
　　图3 略　　
　　
　　对同步撞击控制器的要求:在生理信号间期内任意点可实现同步撞击;同步击发脉冲信号具有一定的宽度，使撞击机可靠动作;安全性和可靠性高.
　　
　　2 电路设计
　　
　　2.1 信号处理电路
　　
　　2.1.1 心电信号放大电路 根据电路要求，心电信号放大电路的输入级采用隔离浮地三运放结构，运放使用精密、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声运放OP037GP，电阻选用稳定性高、噪声系数低、误差1%的金属膜电阻，电容选用CBB电容.这样设计，可达到体表心电检测的国家安全标准，也能满足低噪声、抗共模干扰的要求;电路中用50Hz陷波器对工频干扰加以抑制;电路的级间耦合采用阻容耦合方式，防止直流信号和各级静态工作点漂移后，把放大的直流偏移量传递给后级，使同步撞击控制电路发生阻塞不能正常工作.心电放大电路的实测指标如下:共模抑制比CMRR&>106dB;等效输入噪声电压VN P-P &<12μV;输入阻抗ZI &>5MΩ;增益1000～9000连续可调;频带宽度BW =100～0.05Hz.输出信号最大电压，在输入20Hz，0.4mV信号时，达到3.6V，可使同步脉冲形成电路可靠工作. 转贴于 　　2.1.2 张力/压力信号放大电路 该电路的输入信号由张力传感器或压力传感器提供，输入信号较强.以50mV g-1 传感器设计.电路由差动输入级、增益调整级、40Hz LPF滤波器及输出级构成.电路指标如下:增益80～600连续可调;频带宽度0.05～40Hz;传感器供电电源±5V.
　　2.1.3 外接信号处理电路 该电路可对强度为0.1～30V输入信号进行衰减或放大.电路由高输入阻抗运算放大器LF353构成.电路指标如下:衰减系数0.3;增益1～150连续可调.
　　2.1.4 同步信号选择电路 该电路采用2D2W三键互锁键控开关，作“三选一”同步信号选择，并对相应位的指示灯进行控制.“三选一”同步信号选择电路的输出，一路送入显示/记录接口电路，另一路送入同步撞击控制电路.
　　2.1.5 显示/记录接口电路 该电路把来自同步信号选择电路的生理信号、同步撞击控制器的同步击发脉冲信号和系统延迟时间脉冲信号衰减后，送入显示/记录设备，以满足显示/记录设备输入信号的要求.该电路对生理信号采用电阻衰减电路，衰减系数为0.05;对同步击发脉冲信号和系统延迟时间脉冲信号采用二极管正向限幅电路.
　　2.2 同步撞击控制电路
　　
　　2.2.1 同步脉冲形成电路 该电路由正向检波和滞回比较器构成.滞回比较电压UTH1 =3.5V，UTh3 =1.0V，可克服3.5V以下的干扰，并将峰值信号转换为同步脉冲信号.
　　2.2.2 同步击发脉冲产生电路 该电路由两级单稳态触发器构成.同步脉冲经此电路后，形成脉宽为220ms，滞后于同步脉宽信号1～1250ms的同步击发脉冲.
　　2.2.3 同步击发脉冲展宽电路 该电路由单稳态触发器构成，它把220ms的同步击发脉冲信号展宽为1s脉冲，经驱动电路后，控制撞击机发生撞击.
　　2.2.4 自动闭锁电路 电路由D触发器和单稳态电路组成，电路（Fig4）.其工作原理如下:当接通电源后，+V通过电容C瞬时通过高电平使CD4013的Q1端置低电平，CD4528的CLR端为低电平，CD4528的Q1输出端在其CLR端作用下，保持低电平不变，撞击机无法动作;在信号观察和调整期间，即使CD4528的A端有同步击发脉冲到来，由于其CLR端被CD4013的Q1端低电平锁定，CD4528的Q1端也无法输出高电平脉冲，CD4528的Q1输出端闭锁;当同步撞击时，按下同步击发按钮AN，CD4013的Q1端被置为高电平，CD4528的CLR端为高电平，同步击发脉冲到来时，CD4528的Q1端输出宽度为1s的脉冲，经输出电路后，控制撞击机撞击;在CD4528的Q1端输出高电平时，其Q2端由高电平跳变为低电平，维持1s后，再由低电平跳变为高电平，产生一个上升沿，经CD4013的CLK端，使其Q1端触发为低电平，CD4528的Q1输出端又闭锁.自动闭锁电路提高了系统的安全性和可靠性.
　　
　　图4 略
　　
　　2.3 电源电路 电源电路为信号处理电路提供±15V电源、±15V隔离电源、传感器±5V电源以及输出电路所需的+6V电源.在市电的输入端采用感性和容性元件，对高频干扰加以抑制;采用压敏电阻对电网里的尖脉冲加以吸收，使电网耦合的电磁干扰得以抑制.
　　
　　3 讨论
　　设计的XZ-1型信号处理、同步撞击控制器各项性能指标，都达到使用要求，安全性、可靠性高.使用1a多来，性能良好，完全满足科研项目的需要.转贴于