带NFC功能监护仪在辐射骚扰试验中电磁兼容改良

赵阳 易华斌 赵五芹 杨政

[摘    要]随着国家对医院的投资日益增加，医院的规模也在不断扩大，医院在数据库的管理和内部数据的共享上，也迎来了新的挑战。尤其智慧医院时代的到来，医院的大数据管理更加重要。如心电监护仪产品在原来的心电监护基础功能上，增加了数字采集的功能（NFC功能），出现了辐射骚扰超标的现象。从心电监护仪的NFC控制电路原理进行分析，对发射电路、匹配电路和软件环节等进行综合考虑，既能让产品在性能上满足正常需要，同时也能在认证中通过辐射骚扰的试验要求。

[关键词]心电图;辐射骚扰;NFC

[中图分类号]R472 [文献标志码]A [文章编号]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

隨着监护仪在智慧医院的广泛使用，许多心电图仪采用身份证读卡功能，只要患者在医院就诊时刷下自己的身份证，就可以进行所有检查结果的绑定，方便了医生对患者的数据进行综合分析，便于诊断。但是在实际认证时，往往会出现带NFC功能的监护仪在进行辐射骚扰测试时不合格的问题。本文主要探究了如何既能满足产品的功能要求，又能在认证时让处于NFC工作模式下的产品能满足认证要求。

1 带NFC功能监护仪产品

监护仪是一种以测量和控制病人生理参数，并可与已知设定值进行比较，如果出现超标可发出警报的装置或系统。通过传感器感应各种生理变化，然后经过放大器把信息强化，再转换成电信息，经过数据分析软件对数据进行计算、分析和编辑，最后在显示屏中的各个功能模块显示出来，或根据需要记录，打印下来，当监测的数据超出设定的指标时，就会激发报警。

这种产品在医院一般广泛应用于手术中、手术后、分娩、新生儿、早产儿等场合。为了方便患者就医，同时也为了方便医院的数据管理，使病人的数据和身份信息完全对应，一些监护仪增加了NFC功能。NFC是一款近距离无线通信技术，由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，它是一种短距高频的无线电技术。NFCIP-1标准规定NFC的通信距离为10cm以内，运行频率13.56 MHz，传输速度有106 kbit/s、212 kbit/s或者424 kbit/s三种。NFCIP-1标准详细规定NFC设备的传输速度、编解码方法、调制方案以及射频接口的帧格式，此标准中还定义了NFC的传输协议，其中包括启动协议和数据交换方法等。在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换，以便将病人的检测数据存入后台管理，用于进一步确诊和相关教学研究之用。

2 监护仪产品电磁兼容试验的考察

监护仪产品成为医院不可或缺的医疗设备，几乎每个医院都会配有一定数量的心电监护仪。另外对于部分社康中心，为了分流医院的一些病人，也开始配备一定的监护仪设备。按照国内的监管要求，这类设备必须满足电磁兼容标准《YY9706.102—2021医用电气设备第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》要求，其中辐射骚扰测试项目必须满足2组B类的试验要求，见表1。

图1是一款带NFC功能的监护仪产品的辐射骚扰扫描图。

3 不达标现象及原因分析

带NFC功能的监护仪连接心电模拟器和血氧模拟器进行辐射骚扰测试时，在10 m半电波暗室进行辐射骚扰测试的试验考核，结果发现40.673 MHz，94.873 MHz，121.956 MHz，216.919 MHz超标，初步确定是NFC功能模块出来的干扰，即13.56 MHz的倍频，它们分别是13.56 MHz的3，7，9，16次倍频。为了进一步确认13.56 MHz是否为干扰源，采用示波器对天线的波形进行测量，进行傅里叶变换得出67.8 MHz的频谱，采用近场探头对干扰源进行确认，确认是NFC模块工作时的干扰。

这个发射频点的倍频超标的主要原因，从硬件的角度来说，主要是13.56 MHz的时钟在PCB板走线、匹配电路参数、天线走线等引起时钟信号的失真，这样在后面的倍频电路中会造成相关谐波超标。

4 优化相关的设计方案

4.1 芯片的选型

对于NFC芯片，最早的恩智浦半导体公司的MFRC522是一款13.56 MHz频段的非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片，是NXP公司在低电压、低成本、体积小的市场领域推出的一款非接触式读写卡芯片，对于智能仪表和便携式手持设备研发来说是一个较好的选择。这款芯片相对来说，电磁兼容是比较稳定的，是一个方案比较成熟的芯片。在中国的复旦微电子生产的读卡芯片FM1702Q也陆续在一些近场的产品上使用，方案也比较成熟，成了电子工程师在设计时首选的芯片之一。

4.2 读卡部分原理图的设计

这里以一款13.56 MHz的芯片SI522进行说明，该芯片包括发射部分和接收部分，在辐射骚扰的考核中，主要是发射部分的电路设计不周，造成辐射骚扰超标。

信号发射部分的电路可以分为3个部分：EMC滤波部分、谐振和阻抗匹配电路部分和线圈部分。滤波电路主要是LC组成的低通滤波电路，芯片经TX1和TX2推送出的13.56 MHz信号，不可避免地会存在高次谐波，所以采用LC低通滤波器尽量滤除掉高于13.56 MHz的无用信号，这样有利于正常读卡和减小天线对空间的电磁干扰;匹配电路主要是调整天线的谐振频点到13.56 MHz，这样可以使天线的信号幅度最大，有利于读卡，另外匹配电路要让发射部分的电路与读卡芯片输出电阻匹配，这样有利用天线获得最大功率去增加读卡的距离;天线部分在这款机器里面是PCB线圈，如图2所示。

4.3 读卡芯片PCB板子的布局

读卡芯片的PCB板一般采用2层板制作。在设计时，要考虑能通过电磁兼容的考核，同时也要满足性能的要求。因此，读卡芯片在布局时需要对低通滤波电路、匹配电路及天线进行综合考虑。

建议：13.56 MHz的读卡芯片和滤波电路必须靠近;谐振调节电路根据PCB布局情况，最好在天线的起始点，见图3。另外环形PCB板的天线，最好在天线的正下方采用铺铜处理，这样相当于给天线做了一个镜像平面，可以减小天线源的干扰。

通过上述方法，对RF的PCB板进行重新布局，调整匹配电路的参数，在满足性能的情况下，最后的测试结果满足电磁兼容的相关要求。辐射测试曲线如图4所示。

在电磁兼容的设计过程中，不光在硬件方面对电路板的布局和调整匹配电路的参数，使达到相关的电磁兼容要求。也可以采用软件来处理EMC问题，这也是电磁兼容对策方案时采用的手法。

4.4 通过软件来处理

在监护仪的操作界面，添加一个NFC开关的功能，若实行读卡时，打开监护仪操作界面的NFC软开关，这时就会给控制芯片发送一个开关指令，控制芯片的输出脚就会输出一个高电平，让其电子开关处于导通状态，给NFC芯片供电，让其NFC芯片正常工作，当完成任务时，将NFC开关关掉。设计图的原理电路如图5所示。

这样就不会让NFC功能处于长发射状态，在电磁兼容考察时，关掉其NFC开关的曲线扫描图如图6所示。

5 結论

带NFC功能的心电监护仪类产品，对于前期设计时，需要从硬件角度，包括芯片的选型、发射电路的匹配和天线的布局等方面综合进行考虑;同时也可以从软件的角度，在心电监护仪的操作界面增加NFC开关，当要读卡时，界面自动跳出NFC开关，通过NFC软开关来打开NFC功能芯片的供电，让其在刷卡的瞬间，保持工作，刷完卡自动关闭该功能。在产品研发时，根据产品的实际情况，选用适当方法，以使设计出来的带NFC功能的产品能满足试验要求。

参考文献

[1] 周旭.电子设备防干扰原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2] 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术，2版[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[3] 何金良.电磁兼容概论[M].北京：科学出版社，2010.

[4] 王培章，钱祖平，于同彬.电磁兼容技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.