隨著嵌入式技術的迅速發展，單片機已被越來越多地用于各種醫用儀器中，使醫用儀器的智能化程度和測量精度不斷地得到提高。但是與此同時也產生了新的問題，其中就有干擾問題。干擾輕則會影響輸出結果，使醫務人員無法進行正確地判斷；重則將會使儀器無法正常工作。如何有效地抑制干擾是醫用儀器設計過程中必須考慮和解決的問題。心電信號是人體體表的微弱電信號，其檢測系統不僅要求能夠有效地去除測量信號中的噪聲干擾，還要求系統本身具有較好抗外界干擾的能力。本文將以自行設計的心電檢測系統為例，介紹系統中所采用的一系列抗外界干擾措施。

　　1　系統外界干擾來源

　　心電檢測系統的結構如圖1。其中，系統所采用的單片機是AT89C51，其它模塊包括復位電路、鍵盤、LCD等。

　　圖1　心電檢測系統簡圖

　　一般地，檢測系統中的干擾主要來自于：電源干擾、信號通道干擾和空間輻射干擾。就心電檢測系統而言，信號通道干擾和電源干擾是引起系統干擾的主要原因。一旦干擾進入系統的模擬信號輸入通道，疊加在有用信號之上，將會使數據采集誤差加大，特別是對于心電這樣的微弱信號，影響更為嚴重；另外，在使用的市電供電電網中，正常的50Hz正弦波形上疊加有許多高電壓的尖峰脈沖信號，這些信號會嚴重影響系統的正常工作，可對心電信號產生較大干擾。因此如何采取適當的方法來消除干擾源，抑制耦合通道，減弱電路對噪聲干擾的敏感性，是設計該系統時特別要注意的問題。通常需要采取硬件和軟件相結合的抗干擾措施。

　　2　硬件抗干擾措施

　　2.1　電源抗干擾的措施

　　系統的供電電源可采用圖2所示方式，市電經交流穩壓器穩壓(可選擇抗干擾能力強的開關電源)、π濾波電路、直流穩壓電路后，可以在一定程度上抑制瞬態干擾，去除高頻干擾。此外，可在每個集成芯片的電源輸入端并接一個高頻電容(一般為0.01～0.1μF)，以減小集成芯片對電源的影響。

　　圖2　電源電路

　　2.2　接地技術

　　本系統中，模擬電路和數字電路共存，因此應當將所有的模擬地和數字地分別相連，最后將電路中的模擬地和數字地與電源地一點匯集。同時用地線將模擬區與數字區隔離，這樣可避免模擬電路和數字電路通過地線回路互相干擾。

　　2.3　濾波電路

　　對于檢測信號特性已知的系統，可設計合適的濾波電路，以消除部分干擾信號。如在該系統中，可以設計一雙T型濾波電路[1]，以去除信號中的50Hz工頻干擾。

　　2.4　PCB板布線抗干擾設計

　　PCB板布局時，應盡可能將相互關聯的器件安排在一起；盡可能將發熱量較大的器件如時鐘發生器等放于電路板散熱條件較好的位置，以便于散熱。PCB板布線時，電源線和地線應盡量加粗；盡可能使電源線、地線的走向與數據傳遞的方向一致，這將有助于增強抗噪聲能力；同時要注意高頻電容的布線，應盡量靠近電源端，若遠離的話，將等于加大了高頻電容的等效串聯電阻，影響濾波效果。

　　另外，該系統是模擬信號和數字信號并存的系統，因此要實現數字、模擬信號分區。同時，由于A/D和AT89C51的TTL電平相對于心電信號是強信號，故該系統是強信號與弱電信號并存的系統，因此系統布局時要考慮如何避免強信號對弱信號的干擾，這就要在兩種信號線的布局、走向上加以區別。

　　3　軟件抗干擾措施

　　在單片機檢測系統中，軟件抗干擾具有方法簡單、使用靈活、不需要或需要較少硬件資源等特點，它是硬件抗干擾技術的有效輔助手段，可起到事半功倍的效果。采用的方法有數字濾波、冗余指令、軟件陷阱、“看門狗”等技術。

　　3.1　數字濾波

　　數字濾波器是利用CPU強大的計算運算功能，通過某種數值運算，達到改變輸入信號中所含頻率分量的相對比例、或濾除某些頻率分量的目的[2]。軟件濾波器可有效地消除疊加在模擬輸入信號上噪聲，但選取何種方法要根據信號特性進行選擇。本系統為心電信號檢測系統，心電信號的有用頻帶為0.05～100Hz，通常使用的數字濾波方法有：算術平均濾波法、數字有源濾波法。

　　算術平均濾波法，即對任一點數據連續采樣多次(可選3次)，計算其平均值，并以其平均值作為該點的采樣結果。該方法有利于削弱瞬態干擾對有用信號的影響。

　　數字有源濾波法，根據系統有用信號與噪聲信號的特性，設計合適的有源濾波器。對于本系統，可以設計低通濾波器去除掉基線干擾；高通濾波器去除掉大于100Hz的頻率成分；帶阻濾波器濾去50Hz工頻干擾等。

　　3.2　冗余指令

　　在單片機的指令集中，大部分是單字節指令，只有少數是雙字節或三字節指令。單片機中的程序是按儲存空間中機器碼排列的順序一一執行的，它自身并不能識別何為操作碼何為操作數。因此，若程序跑飛到單字節指令上時，程序還可以正常運行；若程序跑飛到多字節指令的操作數上時，程序運行將出錯，甚至死機。此時可以利用冗余指令技術，一定程度上可避免上述情況，即重復地執行某些指令，以確保程序的正確執行。一般常用的冗余指令有：在程序跳轉指令前加NOP指令，如LJMP、AJMP、SJMP等；在位操作指令后加NOP指令，如SETB、CLR、CPL等；以及重復地執行決定程序順序的指令，如RETI等。

　　3.3　軟件陷阱

　　當程序運行受干擾，跑飛到非程序區時，可使用軟件陷阱技術，強行執行一段出錯處理程序(Trap)，從而重新正確執行程序。常用的軟件陷阱程序如下：

　　NOP；

　　NOP；

　　LJMP Trap；

　　它通常被安排在未使用的程序存儲區。

　　3.4　“看門狗”軟件

　　單片機“看門狗”(Watchdog)軟件即利用其定時器中斷功能監視程序的運行狀態。當PC指針因受到某種干擾而失控，程序進入“死循環”時，冗余指令和軟件陷阱技術都不能使失控的程序擺脫“死循環”的困境，系統將完全陷入癱瘓。此時可以使用“看門狗”軟件避免上述現象的產生，它的設計思路如下：首先設定定時器初值，一般為定時器最大定時時間與稍大于最長循環程序運行一周時間的差值TP，程序正常運行一周后，重新設定定時器的初值為TP，若程序運行出錯，定時器將溢出產生定時中斷，此時可進行出錯處理，軟件使系統復位，即執行指令LJMP 0000H。

　　4　結語

　　經驗和實踐表明，若設計心電檢測系統時，考慮到上述硬件和軟件抗干擾技術，可以明顯地提高系統抗干擾能力，取得事半功倍，令人滿意的效果。