帶NFC功能監護儀在輻射騷擾試驗中電磁兼容改良

趙陽 易華斌 趙五芹 楊政

[摘 ? ?要]隨著國家對醫院的投資日益增加，醫院的規模也在不斷擴大，醫院在數據庫的管理和內部數據的共享上，也迎來了新的挑戰。尤其智慧醫院時代的到來，醫院的大數據管理更加重要。如心電監護儀產品在原來的心電監護基礎功能上，增加了數字采集的功能（NFC功能），出現了輻射騷擾超標的現象。從心電監護儀的NFC控制電路原理進行分析，對發射電路、匹配電路和軟件環節等進行綜合考慮，既能讓產品在性能上滿足正常需要，同時也能在認證中通過輻射騷擾的試驗要求。

[關鍵詞]心電圖;輻射騷擾;NFC

[中圖分類號]R472 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–0–03

Improvement of Electromagnetic Compatibility of Monitor

With NFC Function in Radiation Disturbance Test

Zhao Yang，Yi Hua-bin，Zhao Wu-qin，Yang Zheng

[Abstract]With the increasing national investment in hospitals， the scale of hospitals is also expanding. Hospitals also face new challenges in database management and internal data sharing. Especially with the advent of the era of smart hospital， the big data management of the hospital is more important. For example， the ECG monitor product adds the function of digital acquisition （NFC function） on the basis of the original ECG monitoring function， resulting in the phenomenon that the radiation disturbance exceeds the standard. This paper analyzes the principle of NFC control circuit of ECG monitor， and comprehensively considers the transmitting circuit， matching circuit and software links， which can not only make the product meet the normal needs in performance， but also pass the test requirements of radiation disturbance in certification.

[Keywords]electrocardiogram; radiation disturbance; NFC

隨著監護儀在智慧醫院的廣泛使用，許多心電圖儀采用身份證讀卡功能，只要患者在醫院就診時刷下自己的身份證，就可以進行所有檢查結果的綁定，方便了醫生對患者的數據進行綜合分析，便于診斷。但是在實際認證時，往往會出現帶NFC功能的監護儀在進行輻射騷擾測試時不合格的問題。本文主要探究了如何既能滿足產品的功能要求，又能在認證時讓處于NFC工作模式下的產品能滿足認證要求。

1 帶NFC功能監護儀產品

監護儀是一種以測量和控制病人生理參數，并可與已知設定值進行比較，如果出現超標可發出警報的裝置或系統。通過傳感器感應各種生理變化，然后經過放大器把信息強化，再轉換成電信息，經過數據分析軟件對數據進行計算、分析和編輯，最后在顯示屏中的各個功能模塊顯示出來，或根據需要記錄，打印下來，當監測的數據超出設定的指標時，就會激發報警。

這種產品在醫院一般廣泛應用于手術中、手術后、分娩、新生兒、早產兒等場合。為了方便患者就醫，同時也為了方便醫院的數據管理，使病人的數據和身份信息完全對應，一些監護儀增加了NFC功能。NFC是一款近距離無線通信技術，由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯互通技術整合演變而來，它是一種短距高頻的無線電技術。NFCIP-1標準規定NFC的通信距離為10cm以內，運行頻率13.56 MHz，傳輸速度有106 kbit/s、212 kbit/s或者424 kbit/s三種。NFCIP-1標準詳細規定NFC設備的傳輸速度、編解碼方法、調制方案以及射頻接口的幀格式，此標準中還定義了NFC的傳輸協議，其中包括啟動協議和數據交換方法等。在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，能在短距離內與兼容設備進行識別和數據交換，以便將病人的檢測數據存入后臺管理，用于進一步確診和相關教學研究之用。

2 監護儀產品電磁兼容試驗的考察

監護儀產品成為醫院不可或缺的醫療設備，幾乎每個醫院都會配有一定數量的心電監護儀。另外對于部分社康中心，為了分流醫院的一些病人，也開始配備一定的監護儀設備。按照國內的監管要求，這類設備必須滿足電磁兼容標準《YY9706.102—2021醫用電氣設備第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列標準：電磁兼容要求和試驗》要求，其中輻射騷擾測試項目必須滿足2組B類的試驗要求，見表1。

圖1是一款帶NFC功能的監護儀產品的輻射騷擾掃描圖。

3 不達標現象及原因分析

帶NFC功能的監護儀連接心電模擬器和血氧模擬器進行輻射騷擾測試時，在10 m半電波暗室進行輻射騷擾測試的試驗考核，結果發現40.673 MHz，94.873 MHz，121.956 MHz，216.919 MHz超標，初步確定是NFC功能模塊出來的干擾，即13.56 MHz的倍頻，它們分別是13.56 MHz的3，7，9，16次倍頻。為了進一步確認13.56 MHz是否為干擾源，采用示波器對天線的波形進行測量，進行傅里葉變換得出67.8 MHz的頻譜，采用近場探頭對干擾源進行確認，確認是NFC模塊工作時的干擾。

這個發射頻點的倍頻超標的主要原因，從硬件的角度來說，主要是13.56 MHz的時鐘在PCB板走線、匹配電路參數、天線走線等引起時鐘信號的失真，這樣在后面的倍頻電路中會造成相關諧波超標。

4 優化相關的設計方案

4.1 芯片的選型

對于NFC芯片，最早的恩智浦半導體公司的MFRC522是一款13.56 MHz頻段的非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片，是NXP公司在低電壓、低成本、體積小的市場領域推出的一款非接觸式讀寫卡芯片，對于智能儀表和便攜式手持設備研發來說是一個較好的選擇。這款芯片相對來說，電磁兼容是比較穩定的，是一個方案比較成熟的芯片。在中國的復旦微電子生產的讀卡芯片FM1702Q也陸續在一些近場的產品上使用，方案也比較成熟，成了電子工程師在設計時首選的芯片之一。

4.2 讀卡部分原理圖的設計

這里以一款13.56 MHz的芯片SI522進行說明，該芯片包括發射部分和接收部分，在輻射騷擾的考核中，主要是發射部分的電路設計不周，造成輻射騷擾超標。

信號發射部分的電路可以分為3個部分：EMC濾波部分、諧振和阻抗匹配電路部分和線圈部分。濾波電路主要是LC組成的低通濾波電路，芯片經TX1和TX2推送出的13.56 MHz信號，不可避免地會存在高次諧波，所以采用LC低通濾波器盡量濾除掉高于13.56 MHz的無用信號，這樣有利于正常讀卡和減小天線對空間的電磁干擾;匹配電路主要是調整天線的諧振頻點到13.56 MHz，這樣可以使天線的信號幅度最大，有利于讀卡，另外匹配電路要讓發射部分的電路與讀卡芯片輸出電阻匹配，這樣有利用天線獲得最大功率去增加讀卡的距離;天線部分在這款機器里面是PCB線圈，如圖2所示。

4.3 讀卡芯片PCB板子的布局

讀卡芯片的PCB板一般采用2層板制作。在設計時，要考慮能通過電磁兼容的考核，同時也要滿足性能的要求。因此，讀卡芯片在布局時需要對低通濾波電路、匹配電路及天線進行綜合考慮。

建議：13.56 MHz的讀卡芯片和濾波電路必須靠近;諧振調節電路根據PCB布局情況，最好在天線的起始點，見圖3。另外環形PCB板的天線，最好在天線的正下方采用鋪銅處理，這樣相當于給天線做了一個鏡像平面，可以減小天線源的干擾。

通過上述方法，對RF的PCB板進行重新布局，調整匹配電路的參數，在滿足性能的情況下，最后的測試結果滿足電磁兼容的相關要求。輻射測試曲線如圖4所示。

在電磁兼容的設計過程中，不光在硬件方面對電路板的布局和調整匹配電路的參數，使達到相關的電磁兼容要求。也可以采用軟件來處理EMC問題，這也是電磁兼容對策方案時采用的手法。

4.4 通過軟件來處理

在監護儀的操作界面，添加一個NFC開關的功能，若實行讀卡時，打開監護儀操作界面的NFC軟開關，這時就會給控制芯片發送一個開關指令，控制芯片的輸出腳就會輸出一個高電平，讓其電子開關處于導通狀態，給NFC芯片供電，讓其NFC芯片正常工作，當完成任務時，將NFC開關關掉。設計圖的原理電路如圖5所示。

這樣就不會讓NFC功能處于長發射狀態，在電磁兼容考察時，關掉其NFC開關的曲線掃描圖如圖6所示。

5 結論

帶NFC功能的心電監護儀類產品，對于前期設計時，需要從硬件角度，包括芯片的選型、發射電路的匹配和天線的布局等方面綜合進行考慮;同時也可以從軟件的角度，在心電監護儀的操作界面增加NFC開關，當要讀卡時，界面自動跳出NFC開關，通過NFC軟開關來打開NFC功能芯片的供電，讓其在刷卡的瞬間，保持工作，刷完卡自動關閉該功能。在產品研發時，根據產品的實際情況，選用適當方法，以使設計出來的帶NFC功能的產品能滿足試驗要求。

參考文獻

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