ZHCACL1 april 2023 MSPM0G1505 , MSPM0G1506 , MSPM0G1507 , SN74LVC1G10 , TPA6211A1 , TPL5010 , TPS61094
引言
醫(yī)用警報系統(tǒng)是大多數(shù)醫(yī)療設備（尤其是在重癥監(jiān)護室 (ICU) 中使用的那些設備）所需的子系統(tǒng)。為確保患者安全，這些醫(yī)療設備必須符合國際電工委員會 (IEC) 制定的要求。IEC60601-1-8 標準詳細介紹了這些系統(tǒng)所需的警報相關元素，包括初級警報、冗余供電備用警報和視覺警報指示燈。此設計利用 MSPM0G150x 微控制器 (MCU) 提供初級警報、備用警報和視覺警報功能，從而提供符合 IEC60601-1-8 標準的醫(yī)用警報。圖 1 所示為設計方框圖。
圖 1 設計方框圖設計：關鍵特性
- 能夠播放任何標準或自定義警報
- 12 位、可調頻率（支持 48kHz+）高保真音頻。
- 128KB 內部閃存和外部閃存選項。
設計：初級警報
使用 12 位 DAC，MSPM0G150x MCU 可以生成完全定制的醫(yī)用警報波形，從而允許設計人員使用其現(xiàn)有的獨特音頻警報內容或 IEC 標準委員會提供的警報音頻。MSPM0 MCU 上的集成模擬運算放大器允許對音頻放大器進行電流測量以檢測故障，并可讓用戶選擇使用麥克風進行環(huán)境噪聲檢測。MCU 可在獨立模式下使用，或由主機處理器或控制器控制。此外，MCU 還集成了實時時鐘 (RTC)，可實現(xiàn)時間戳、系統(tǒng)正常運行時間監(jiān)控和系統(tǒng)事件調度。
在正常運行期間，可由 MSPM0 MCU 或外部主機觸發(fā)警報或自定義音頻文件。然后，MCU 從內部或外部閃存讀取音頻序列，并將警報輸出到集成 12 位 DAC。DAC 輸出音頻波形被發(fā)送到 TPA6211A1 音頻放大器，由揚聲器播放。12 位 DAC 可在可選頻率（例如 48kHz）下輸出音頻波形。如果僅使用內部閃存并且需要高頻音頻輸出，則可以從音頻文件中提取個別音調?？蓪⒀舆t間隔編程到 MCU 中以減小音頻文件的大小，這樣就可以將清晰的高、中和低警報信號放入 MCU 的內部閃存中。另外，外部閃存選項可提供更大的存儲空間，從而簡化音頻文件的上傳和播放方法。
設計：視覺警報和備用警報
在此設計中，視覺警報是通過讓 MCU 的通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳切換視覺警報 LED 而實現(xiàn)的。備用警報是通過以下方式實現(xiàn)的：將超級電容器與相關的 TPS61094 超級電容器充電器、可選的 TPL5010 外部看門狗計時器（用于檢測 MCU 故障）和 SN74LVC1G10 與非門搭配使用，以便在發(fā)生 MCU 或電源故障時觸發(fā)壓電警報。在此狀態(tài)期間，低功耗 MSPM0 MCU 能夠控制系統(tǒng)并從用戶輸入或在所需的三分鐘時間范圍之后終止備用警報。
測試結果：初級警報
高警報狀態(tài)的 DAC 輸出波形如圖 2 所示。關鍵波形特性（包括基本頻率、上升時間、下降時間、脈沖間隔等）均在內部進行測量，以滿足 IEC60601-1-8 要求。
圖 2 高警報狀態(tài)波形測試結果：重合檢測
重合檢測電路也通過測量 MSPM0G150x 內部運算放大器輸出進行了測試。圖 3 中所示的脈沖顯示了通過測量 TPA6211A1 電流消耗得到的高警報狀態(tài)波形。如果揚聲器出現(xiàn)故障（例如斷開連接），電流波形會顯著減小。MCU 還可以分析波形本身，以檢測是否正在播放正確的音頻波形。為了獲得來自環(huán)境的額外反饋（例如環(huán)境噪聲或來自初級警報的聲音反饋），可將麥克風添加為 MCU 的輸入。
圖 3 重合檢測波形測試結果：初級警報合規(guī)性測試
為了滿足 IEC6060-1-8 要求，主醫(yī)用警報必須符合特定的諧波要求。具體來說，至少有 4 個諧波需要與基頻的振幅相差 +/- 15dB。這些諧波可增強警報音的空間定位。圖 4 顯示了針對高警報狀態(tài)測量的諧波含量示例。圖中顯示，在該高警報狀態(tài)測試所需的范圍內測量了六個諧波。
圖 4 諧波測試高警報狀態(tài)結論
所介紹的設計提供了基于 MCU 的完整醫(yī)用警報系統(tǒng)實施方案，包括初級警報、備用警報和視覺警報。高保真定制警報、警報故障檢測和超級電容器備用功能等特性使該設計非常適合醫(yī)用警報系統(tǒng)。
參考文獻
- 德州儀器 (TI)，揭秘醫(yī)用警報設計，第 1 部分：IEC60601-1-8 標準要求博客。
- 德州儀器 (TI)，揭秘醫(yī)用警報設計，第 2 部分：設計方法和現(xiàn)有技術博客。
- 德州儀器 (TI)，揭秘使用智能 DAC 的醫(yī)用警報設計 應用簡報。
- 德州儀器 (TI)，基于硬件的智能 DAC 醫(yī)用警報設計 應用簡報。
- 德州儀器 (TI)，MSPM0G150x 混合信號控制器 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，具有超級電容管理功能的 60nA 靜態(tài)電流升壓轉換器 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，3.1W 單聲道全差分音頻功率放大器 數(shù)據(jù)表。