CareFusion VELA®呼吸机无法进入系统特性分析
引言
VELA 呼吸机作为ICU 有创呼吸机、无创呼吸机使用，适用于急诊病房、ICU 病房、普通病房使用，最低潮气量可达到50 mL，适合于儿童及成人患者。既可使用高压氧气作为氧气来源，也可在没有高压氧的前提下使用低压氧为患者提高吸入氧气浓度。VELA 呼吸机的内置金属涡轮能够为呼吸机提供压缩空气，从而无须依赖医院提供的压缩空气，扩大了呼吸机的应用范围。由于临床上存在诸多需要药物雾化吸入的患者，VELA 呼吸机还能够提供与患者吸气同步的气动式雾化功能，无须再配备昂贵的其它雾化驱动仪器。模式齐全，包括A/C、SIMV、PSV 等基础模式，可以满足临床上的基本机械通气需求[1-2]。
这款呼吸机采用嵌入式设计[3-4]，结构分明，主要功能全部集中在主板之上，这也造成了呼吸机日常使用过程中故障集中。机器在boot 过程中极易出现问题：黑屏、VENT INOP、无法进入系统等故障。
1 VELA呼吸机主板基本电路分析
本款呼吸机主板采用嵌入式开发设计，主Boot 器件：MCF5272 处 理 器[5]，AM29PLD128G 芯 片 作 为FLASH，配以芯片IS42S32200B-7T 作为SDRAM，收发总线是74ALVC16245MTD 芯片。具体启动过程如下：启动基本流程：Bootloader---＞BootParameter--＞Kernel—＞Root File System。
第一步，FLASH 存储器[6]中BootLoader 指令启动，它的主要作用是初始化硬件设备、建立内存空间映射图，将系统的软硬件环境调整到最合适状态，以便为最终调用操作系统内核做好准备。
第二步，一旦上述过程完成，Bootloader 便把系统文件镜像调用到SDRAM。最后，处理器通过收发总线调用SDRAM 中的系统文件[5]，实现开机进入工作状态。
显示电路，见图1：驱动芯片SED1356F0A、显存IS41LV16100B/TSOP、图像调制DAC 芯片ADV125KST50、触摸屏控制DS90CF383MTD、背光灯驱动IRF7210。
显示启动电路，见图2。第一步，显示驱动芯片SED1356F0A 处理完处理器送达的数据后会将数据保存到显存[11]IS41LV16100B/TSOP 中。这个过程中驱动芯片的MA10/MA11 引脚通过高低电平变化控制IRF7210 使背光灯管点亮和熄灭。第二步，图像调制[7-9]DAC 芯片ADV125KST50 从显存中读取出数据并将数字信号转换为RGB 模拟信号[10-11]，同时将数字信号传到触摸屏控制DS90CF383MTD，最后由屏幕显示出来。
图1 boot芯片电路
图2 显示电路
2 典型故障分析
2.1 故障一
2.1.1 故障现象
开机后报警声音持续，屏幕点亮。停在APP 选择界面：“Choosing which application to run…..Running Application Record 2….”。无法进入工作系统，且无法进入维修模式。
2.1.2 故障分析
当出现“APP 选择界面”时，可以判断显示电路没有问题。问题出在主Boot 电路，而FLASH 芯片中指令BootLoader 是加电后最先启动的[12]，所以可以排除FLASH芯片。处理器MCF5272 的主要作用就是调用SDRAM 中的系统文件镜像，通过“APP 选择界面”可以知道处理器MCF5272 正在等待调用SDRAM 中的系统镜像文件，可是没有找到。
所以故障定性为处理器MCF5272 无法正常调用SDRAM 中的系统镜像文件，导致上述故障现象。
故障原因可能为：①SDRAM 芯片IS42S32200B-7T 出现问题，导致系统镜像文件无法正常被调用；②总线芯片74ALVC16245MTD 出现问题，使FLASH 无法将系统镜像文件传送到SDRAM 中，从而导致处理器调用文件失败。
2.1.3 故障解决方案
优先考虑SDRAM 出现问题，芯片的外围设备只有供电滤波0.1 μf 电容,而且都是3 V 供电，如果有电容击穿会使3 V 供电出现出问题，通过主板上供电指示灯可以知道，3 V 供电正常，所以不会是电容击穿。通过机械万用表测量可知电容充放电正常，不存在断路现象。
排除外围电路，考虑SDRAM 本身数据接口出现问题，测量发现IS42S32200B-7T 的65 脚A8 与GND 之间电阻为零，有击穿显现象，可以确定引脚存在问题。但是A8 脚还与总线芯片74ALVC16245MTD 的33 脚相连，所以先拆掉总线芯片，故障依旧，所以确定是SDRAM 出现问题，更换芯片后测量正常，通电后进入系统正常工作。
类 似 的 故 障 还 有：“Choosing which application to run…..Application Record 2 is not valid; Running Application Record 1”。
2.1.4 小结
这类故障要求熟悉VELA 主板的主要电路结构和启动流程，通过显示可以判断是哪一步出现问题，进而减少维修时间和误区。
2.2 故障二
2.2.1 故障现象
开机后报警声音正常，面板指示灯点亮，且能听见继电器随程序通断“哒哒”声音，但是无法进入系统，且屏幕无法点亮，按压屏幕呼吸机无响应。
2.2.2 故障分析
继电器通断说明程序正常启动，显示和触摸屏无反应，问题出在显示电路[13]。
屏幕和触摸屏均无反应， 说明触摸屏控制DS90CF383MTD、背光灯驱动IRF7210 都没有正常工作，两个同时坏的可能性较小，所以问题很大可能出在显示驱动芯片SED1356F0A 和显存IS41LV16100B/TSOP。
2.2.3 故障解决方案
在测量外围辅助电路时发现R403 电阻阻值无法测量，其正常值应为1.0 K,这是一个下拉电阻，接到显存IS41LV16100B/TSOP 的OE 引脚，所以极大可能是电阻断路，使得显存无法工作。所以更换电阻，阻值可测，但是故障依旧，考虑是因为显存内部有短路情况使得R403 电流过大而烧坏，所以更换显存，通电正常工作。
类似的故障还有：开机后能正常启动，触摸屏和背光灯均正常使用，但是屏幕显示乱码、花屏、白屏，均考虑与显示电路相关。
2.2.4 小结
这类故障是显示出现问题，导致系统无法正常工作。在处理这类故障的时候最关键的是排除Boot 电路，通过继电器有规律的通断“哒哒”声，可以断定主Boot 正常。除此之外，还可以通过测量收发总线74ALVC16245MTD 芯片的1 脚，正常启动时电压会在3 V-0 V-3 V 之间连续变换，如果电压变换正常，也可断定主Boot 启动正常。
2.3 故障三
2.3.1 故障现象
开机后报警一直响，面板指示灯点不亮，没有听见继电器随程序通断“哒哒”声音，无法进入系统，且屏幕无法点亮，按压屏幕呼吸机无响应。
2.3.2 故障分析
显示和触摸屏无反应，除了报警声音以外，呼吸机没有任何反应，无法定性分析主板那一部分出现问题。
进一步观察主板，电源3 V 和5 V 指示灯正常,说明供电正常。测量收发总线74ALVC16245MTD 芯片的1 脚，电压维持3 V 不变，说明没有数据交换，所以很大可能是程序根本没有被调用，导致上述故障现象。
2.3.3 故障解决方案
在放大镜下仔细观察BOOT 启动各种芯片，发现主处理器MCF5272 有一条细小的裂纹。主处理器采用的是BGA 焊接[14-15]，且工作时温度会比较高，所以极容易出现虚焊和烧坏的情况。所以，重新更换处理器后故障解除，呼吸机开机自动进入系统。为了避免此类情况再次发声，在主处理器周围涂抹导热硅脂，并且上方加装散热片，使主处理器工作在一个合适的状态下。
3 讨论
这类无法进入系统的故障是最为棘手的，要考虑众多因素：供电、软件、硬件。在处理这类故障的时要注意借助一些特殊设备：放大镜、显微镜、BGA 焊台等。仔细排查每一个芯片，因为硬件的故障率远远大于软件，所以必须先从硬件入手，包括引脚电阻、器件完整度等。结合本机器的基本电路[16]分析可知，分析故障点是最重要的，明白机器启动哪一步对应的哪一部分硬件是解决问题的关键。同时，在做BGA 焊接的时候要注意植球和加焊，避免出现虚焊而导致故障扩大化。
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Analysis on Unable to Enter System of CareFusion VELA® Ventilator