淺談關(guān)于數(shù)字化血壓監(jiān)護(hù)儀參考設(shè)計(jì)

血壓監(jiān)護(hù)儀簡(jiǎn)介

血壓監(jiān)護(hù)儀是當(dāng)血液被泵離心臟時(shí)用來測(cè)量動(dòng)脈壓力的設(shè)備。其組成部分包括：電源、電機(jī)、存儲(chǔ)器、壓力傳感器和用戶接口(包括顯示屏、小鍵盤或觸摸板、發(fā)聲裝置以及可選的USB或ZigBee通訊接口)等。圖1所示為飛思卡爾的血壓監(jiān)護(hù)儀參考設(shè)計(jì)RDQE128BPM。

圖1 血壓監(jiān)護(hù)儀參考設(shè)計(jì)RDQE128BPM

如何進(jìn)行血壓測(cè)量

當(dāng)包裹著患者手臂周圍的袖套被慢慢放走時(shí)，袖套中壓力的小變化可以被察覺。這些壓力的波動(dòng)由患者的心律周期產(chǎn)生，接著它通過一個(gè)1Hz的高通濾波后被放大和偏移，產(chǎn)生血壓曲線。如圖2所示。這個(gè)新信號(hào)就是心跳信號(hào)。

使用前面所述心跳檢測(cè)方法，可以通過簡(jiǎn)單的示波計(jì)法來測(cè)量血管收縮壓(SBP)和血管舒張壓(DBP)，這種方法被大多數(shù)自動(dòng)非介入式血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備所采用。當(dāng)袖套被充氣至收縮壓以上，然后緩慢放氣時(shí)，袖套中壓力變化的幅度被測(cè)量。當(dāng)壓力低于血管的收縮壓時(shí)，這一幅度會(huì)突然增加。當(dāng)袖套中壓力進(jìn)一步下降時(shí)，該脈沖幅度達(dá)到最大值并快速減小。舒張壓是在這一快速變化的開始時(shí)被獲得的。因此SBP和DBP是通過定義脈沖幅度的快速上升區(qū)域(SBP)和下降區(qū)域(DBP)來獲得的。平均動(dòng)脈血壓(MAP)就在最大幅度處。

測(cè)量SBP和DBP能幫助診斷通常的高血壓，但是僅僅靠臨床監(jiān)護(hù)不能區(qū)分兩種通常類型的高血壓。

原發(fā)性高血壓

原發(fā)性高血壓是沒有明確的原因或可被糾正的原因而引起的高血壓。對(duì)原發(fā)性高血壓的判斷是收縮壓持續(xù)高于140mmHg或舒張壓持續(xù)高于90mmHg。

白大褂高血壓

白大褂高血壓是指僅當(dāng)處在不同于一般家庭環(huán)境的高度壓力的環(huán)境中而顯現(xiàn)的高血壓癥狀，如在診所或醫(yī)生辦公室引發(fā)的高血壓癥狀?；加邪状蠊痈哐獕旱娜嗽谠\所環(huán)境下測(cè)量的血壓讀數(shù)偏高，但是離開診所后血壓讀數(shù)就恢復(fù)正常了。白大褂高血壓可能被誤診為原發(fā)性高血壓，這導(dǎo)致了不必要的治療和額外保險(xiǎn)費(fèi)用的增加。為此，醫(yī)學(xué)專家們通常建議在家進(jìn)行幾周的測(cè)量以確定診斷結(jié)果。因此，便攜式、易于使用的血壓計(jì)在家庭里變得普及。

模數(shù)轉(zhuǎn)換精度

如圖1所示，微控制器(MCU)和壓力傳感器是血壓計(jì)的核心技術(shù)。RDQE128BPM參考設(shè)計(jì)也說明了在這一應(yīng)用中最重要的是MCU模塊上的ADC。飛思卡爾控制器片上的ADC模塊是逐次逼近型ADC，包含用于獲取輸入電壓的采樣鎖存電路、一個(gè)比較器、一個(gè)逐次逼近型寄存器子電路和一個(gè)內(nèi)部參照電壓電容式DAC。

血壓監(jiān)護(hù)儀需要測(cè)量很小的信號(hào)，因此ADC分辨率通常是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如10位，12位或16位分辨率，這也是為應(yīng)用設(shè)計(jì)選擇MCU的重要因素。同樣重要的還有ADC的精度。所有的ADC有其固有的不準(zhǔn)確性，因?yàn)樗麄兺ㄟ^離散的步驟(量化)來數(shù)字化信號(hào)。因此，數(shù)字輸出不能完美地反映模擬輸入信號(hào)。例如，一個(gè)12位的轉(zhuǎn)換器將為一個(gè)最大5V的輸入電壓 提供1.22mV最低有效位(LSB)。因此，ADC僅能將數(shù)值數(shù)字化到1.22mV的倍數(shù)。在這個(gè)例子中，它表明最佳測(cè)量永遠(yuǎn)不能比±0.5個(gè)最低有效位LSB(±610µV)更為精確。

不幸的是，一些其他嵌入式ADC特性引入了誤差并降低了其精度，這些特性包括偏移、溫度漂移和非線性等。一些ADC如Flexis產(chǎn)品使用的16位ADC具有通過校準(zhǔn)減小偏移和增益誤差的能力。ADC通道上的片上溫度傳感器可使溫度補(bǔ)償?shù)靡跃唧w化。

ADC的有效比特位(ENOB)是分辨率和精度的真實(shí)指標(biāo)。這個(gè)數(shù)值表明了在一個(gè)特定系統(tǒng)中有多少比特提供了準(zhǔn)確信息。它可以通過下面的公式計(jì)算：

ENOB=(SNR-1.76dB)/6.02dB

這里， SNR(信噪比)是有意義信息(信號(hào))和背景噪音(噪音或誤差)之間的比率。信噪比值不僅受到ADC設(shè)計(jì)和芯片集成的影響，也受到印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)、布線和所選附加離散元器件的影響。一個(gè)大的信噪比值意味著更多的信號(hào)是數(shù)據(jù)并且誤差很小，這能改進(jìn)當(dāng)測(cè)量微伏級(jí)變化的信號(hào)時(shí)測(cè)量結(jié)果的精度。

提高精度

在ADC的輸入端增加少量受控的“抖動(dòng)”噪聲信號(hào)(如0.5 LSB 高斯白噪聲)，能夠影響信號(hào)在最接近最小分辨率的一位上下變動(dòng)，通過這種方法可避免再去四舍五入。轉(zhuǎn)換的最低有效位的狀態(tài)隨機(jī)在0~1之間抖動(dòng)，而不是固定在一個(gè)數(shù)值上。通過引入微小噪聲，可擴(kuò)展ADC能夠轉(zhuǎn)換信號(hào)的有效范圍，而不是簡(jiǎn)單去除在這個(gè)低水平上的所有信號(hào)。同樣，這在整個(gè)范圍內(nèi)都引入了量化誤差。抖動(dòng)僅僅增加了分辨率，改善了線性度，但是并沒有提高精度。然而，通過在信號(hào)里增加1~2位最低有效位的噪聲并且采用過采樣的技術(shù)可以提高精度。

過采樣是通過一個(gè)比Nyquist 采樣頻率顯著提高的采樣率來采集信號(hào)的過程。實(shí)際上，過采樣被用來獲取高分辨的ADC轉(zhuǎn)換器。例如，使用運(yùn)行于256倍目標(biāo)采樣率的12位轉(zhuǎn)換器就可進(jìn)行16位轉(zhuǎn)換。對(duì)每一個(gè)附加分辨率位，信號(hào)必須過采樣4倍。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界的ADC不能進(jìn)行不間斷的轉(zhuǎn)換，輸入值應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持一定。

采樣和保持電路通過這種方法來完成這樣一個(gè)任務(wù)：用一個(gè)電容貯存輸入端的模擬電壓，并用一個(gè)電子開關(guān)來使電容從輸入端斷開。使用設(shè)置好最適合輸入信號(hào)的采樣和保持時(shí)間的ADC，對(duì)改進(jìn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度很有幫助。

將噪聲耦合和過采樣結(jié)合在一起能進(jìn)一步改善精度。如圖3所示。這一技術(shù)通常被認(rèn)為是過采樣和抽取濾波。頂部的曲線圖表示了ADC轉(zhuǎn)換器隨時(shí)間產(chǎn)生的結(jié)果，并且顯示了如果不采用附加噪聲，單獨(dú)使用過采樣會(huì)是怎樣的結(jié)果。通過增加1~2個(gè)LSB噪聲，如在底部垂直線表示的那樣，同時(shí)進(jìn)行的采樣不會(huì)有同樣的結(jié)果。這個(gè)方法增加了信噪比并且提高了有效比特位。 通過在輸入信號(hào)處增加1~2個(gè)LSB噪聲和過采樣，結(jié)果被平均以后可以提供一個(gè)更精確的值。從ADC測(cè)量中獲得的平均數(shù)據(jù)，它使輸入信號(hào)中的毛刺變平，從而具有減小信號(hào)波動(dòng)和噪聲的優(yōu)點(diǎn)。

還有四個(gè)可以管理的誤差來源：偏移、增益、漏電流和較小范圍的溫度。一些嵌入式MCU片上的ADC模塊，如新的Flexis產(chǎn)品上的16位ADC，具有硬件校準(zhǔn)特性，能在代碼執(zhí)行期間反復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)。不具有硬件校準(zhǔn)的嵌入式ADC模塊仍然能進(jìn)行校準(zhǔn)，但這必須在工廠中完成，或者有為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方案。

圖2 血壓測(cè)量中的血壓變化

圖3 噪聲耦合和過采樣結(jié)合進(jìn)一步改善精度

校準(zhǔn)是一個(gè)3步驟的過程：第一步配置ADC，第二步開始校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換并等待轉(zhuǎn)換完成，最后進(jìn)行偏移和增益校準(zhǔn)。

偏移和增益校準(zhǔn)值能夠根據(jù)結(jié)果被減小或放大。這能在軟件或在一些已實(shí)現(xiàn)的ADC硬件中完成。

輸入的偏移是三個(gè)需要補(bǔ)償?shù)膩碓粗凶钊菀滋幚淼?。?duì)一個(gè)單端輸入的轉(zhuǎn)換，輸入可以參考同樣的內(nèi)部電壓。這應(yīng)當(dāng)能產(chǎn)生一個(gè)零結(jié)果。如果結(jié)果不是零，這就是偏移值，它必須從ADC結(jié)果中減去。如果使用差分轉(zhuǎn)換模式，偏移值能夠通過在兩個(gè)輸入引腳上變換同樣的信號(hào)來找到。

一旦偏移值已知，ADC的增益能夠從滿量程誤差中找到。這是在最大量程的理想輸出值(如12位ADC中的0xFFF)與偏移值為零時(shí)實(shí)際輸出值之間的差值。

圖4 未校準(zhǔn)量程與對(duì)應(yīng)理想量程的偏移

圖4顯示了從接地到滿量程一個(gè)未校準(zhǔn)的斜線對(duì)應(yīng)理想斜線的偏移和增益被夸大的效果。在應(yīng)用中取決于準(zhǔn)確的ADC結(jié)果，在血壓監(jiān)護(hù)儀中，它被要求指示微小的讀數(shù)變化(µV)，校準(zhǔn)應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行，至少在每個(gè)重起之后。如果一個(gè)硬件功能不存在，校準(zhǔn)可以通過設(shè)計(jì)接地和VDD輸入到應(yīng)用部分，在每次轉(zhuǎn)換后減去偏移并乘以計(jì)算的增益來獲得。

還有一種輸入誤差的來源，即輸入引腳上的漏電流會(huì)引起輸入端輸入電阻上的壓降。這一誤差可以是在這些電池電壓和溫度檢測(cè)電路中最低有效位的數(shù)十倍。最好的消除這一誤差的方法是在設(shè)計(jì)者的控制下減少模擬DC源電阻和任何形式的泄漏。

MCU芯片的溫度也可以對(duì)ADC結(jié)果有影響。然而，溫度是一個(gè)慢變因素。一個(gè)血壓監(jiān)護(hù)儀的常規(guī)的重復(fù)校準(zhǔn)被設(shè)計(jì)在應(yīng)用代碼中，這使用戶不用考慮理想條件，使溫度的影響最小。然而，在工廠中的完全校準(zhǔn)(其結(jié)果貯存在存儲(chǔ)器的查詢表中)基本能夠消除溫度的影響。許多ADC具有片上溫度傳感器，它們可以用來監(jiān)控溫度，使調(diào)節(jié)可以進(jìn)行。

非線性幾乎是一個(gè)無法被校準(zhǔn)的因素，因?yàn)樗ǔＪ悄K設(shè)計(jì)中所固有的。在每個(gè)編碼轉(zhuǎn)換之間的電壓差應(yīng)該等于1LSB。因此，非線性是指編碼步長(zhǎng)的不規(guī)則間隔，它導(dǎo)致一些信號(hào)變形。

結(jié)語

飛思卡爾嵌入式控制器ADC具有高度集成的功能，從而使設(shè)計(jì)者能夠獲得高精度的測(cè)量。在最新的Flexis產(chǎn)品系列中的16位ADC能使開發(fā)者通過調(diào)節(jié)ADC的偏移和增益提高精度，而不增加系統(tǒng)硬件和軟件的要求。