基于可編程片上系統(tǒng)的智能電子血壓計系統(tǒng)設(shè)計

針對以往電子血壓計的不足，介紹了一種基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的智能電子血壓計的設(shè)計，血壓測量的方法采用基于充氣過程的示波法。該系統(tǒng)采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌NNIOS II軟核作為核心處理器，可以完成自動測量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲、查看和刪除歷史數(shù)據(jù)等功能。由于采用了FPGA，從而簡化了電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，有利于系統(tǒng)的升級。

血壓是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。隨著人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化程度的提高，人們自我保健意識逐漸增強(qiáng)，電子血壓計具有低成本、小型化、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，如今已作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞。SOPC(可編程片上系統(tǒng))是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC。它可以將MCU、DSP和FPGA完美結(jié)合，有非常好的發(fā)展前景。

1 人體血壓測量原理

1．1血壓測量

血壓測量方法有很多，最常用的無創(chuàng)血壓測量方法為柯氏音法和示波法。本文設(shè)計所采用的是基于充氣的示波法?；谑静ǚǖ某錃鉁y量恰好是放氣測量的逆過程，如圖1所示，在壓力增加(充氣)過程中，檢測靜壓力和袖帶內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動。壓力較小時，在袖帶靜壓力小于舒張壓Pd之前，動脈管壁在舒張期已充分?jǐn)U展，管壁剛性增加，因而波幅維持在較小的水平。隨著壓力的增加，當(dāng)袖帶壓力高于收縮壓Ps時，動脈被壓閉，此時因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細(xì)小的振蕩波；當(dāng)袖帶靜壓等于平均壓時，波幅達(dá)到最大值；振蕩波的包絡(luò)線所對應(yīng)的袖帶靜壓力就間接地反映了動脈血壓。

1．2 心率計算

心率指心臟每分鐘搏動的次數(shù)，由于心臟與脈搏搏動一致，所以在測量血壓的同時可以測得心率。心率的測定關(guān)鍵判斷脈搏波的峰值，然后根據(jù)在一定時間內(nèi)測定有多少個脈搏波，從而計算出心率。

2 SOPC系統(tǒng)的硬件設(shè)計

SOPC系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

2．1 SOPC系統(tǒng)電路

該部分電路由FPGA芯片、存儲器以及其他外圍元件組成，是信號處理的核心部分。由SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境構(gòu)建包括CPU、存儲器接口和I／O外設(shè)的嵌入式微處理器系統(tǒng)。完成系統(tǒng)設(shè)計后，可以用SOPC Builder來生成系統(tǒng)。下圖為在SOPC Builder中構(gòu)建的系統(tǒng)內(nèi)容配置。

SOPC系統(tǒng)中添加了EPCS設(shè)備控制器核，這樣做的目的是做到充分利用系統(tǒng)資源，將FPGA的配置數(shù)據(jù)以及Nios II的軟件程序固化到EPCS芯片中，為Flash芯片節(jié)省出更多的空間來存儲測量結(jié)果。這時Nios II處理器的復(fù)位地址要設(shè)置為EPCS控制器的基地址，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后固化到EPCS芯片中的程序?qū)⒆詣酉螺d到SDRAM中運(yùn)行。

圖4為由SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境生成的SOPC系統(tǒng)的頂層模塊圖。

2．2 壓力測量電路

2．2．1 壓力傳感器選型

本設(shè)計的壓力傳感器選擇的是Motorola公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓力傳感器。其內(nèi)部含有信號運(yùn)放，具有信號調(diào)節(jié)功能，有良好的線性度，可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0．2～4．7V的電信號，對應(yīng)的血壓值為0～375mmHg，與血壓計的設(shè)計要求非常匹配。

2．2．2 驅(qū)動電路的設(shè)計

控制氣泵和電磁閥工作的信號是由FPGA發(fā)出的，氣泵需要的工作驅(qū)動電流為450mA，電磁閥為75mA，而FPGA的數(shù)字I／O輸出電流不能滿足要求。因此，為給氣泵和電磁閥提供合適的驅(qū)動電流，采用達(dá)林頓管陣列ULN2803驅(qū)動電路來驅(qū)動氣泵和電磁閥工作。ULN2803可輸出500mA的電流，分別利用ULN2803的第一路、第二路來驅(qū)動電磁閥和氣泵，第三路驅(qū)動一個LED用來指示脈搏波信號。如圖5所示。

2．3 傳感器輸出信號的提取

從壓力傳感器出來的信號是脈搏波的振蕩信號和靜壓力信號的混合信號，還夾雜著來自外界的高頻干擾、直流或低頻分量。我們將混合信號分為兩個部分，一部分經(jīng)過低通濾波器后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，從而提取出袖帶壓信號，另一部分則通過帶通濾波、放大電路，得到放大的脈搏波數(shù)據(jù)后再送入A／D轉(zhuǎn)換模塊。信號提取部分的具體電路如圖6所示。

這里采用截止頻率為0．48Hz的二階低通巴特沃斯濾波器，將低通濾波器增益設(shè)為1，這樣做可以盡量減少誤差的放大。采用具有信號放大能力的有源濾波器對脈搏波信號的提取，通帶頻率范圍設(shè)計為0．48～4．8Hz。脈搏波信號放大濾波后，要使其最大幅度盡量接近A／D轉(zhuǎn)換模塊的允許上限，這樣有助于提高采集數(shù)據(jù)的精度。

由于需要對靜壓信號和脈搏波信號分別進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，因此需要兩個采樣通道。人體的臂動脈血壓，收縮壓一般在95～140mmHg范圍內(nèi)，平均值為110～120mmHg，舒張壓為60～90mmHg，平均值為80mmHg，考慮到高血壓等疾病情況，血壓計的測量范圍應(yīng)該在0～250mmHg內(nèi)，則對A／D轉(zhuǎn)換器的要求至少為8位(28=256)。

2．4 鍵盤電路與顯示電路

本系統(tǒng)用1個按鍵作為系統(tǒng)復(fù)位開關(guān)，5個按鍵作為系統(tǒng)操作鍵盤，分別完成測量血壓、查看記錄、上翻記錄、下翻記錄和刪除記錄的功能。顯示部分采用的是128×64點(diǎn)陣LCD顯示器，具有操作簡便，界面友好的特點(diǎn)。