以混合信號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電子血壓計(jì)應(yīng)用

以混合信號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電子血壓計(jì)應(yīng)用

1 簡(jiǎn)介

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展，人們飲食、生活、工作習(xí)慣出現(xiàn)了不健康的改變，導(dǎo)致心血管疾病成為目前國民的主要死亡原因之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，每年中國因心血管疾病而死亡人數(shù)正在以百分之三的速度增加，兒童增加數(shù)量更為嚴(yán)重，但是我國對(duì)于心血管疾病特別是高血壓的防止方面異常薄弱，而血壓與脈搏是最重要的健康指標(biāo)。

如果能經(jīng)常測(cè)量自己的血壓，就做到對(duì)自己的健康情況心理有數(shù)，早期發(fā)現(xiàn)問題，就能得到較好的治療效果。另外對(duì)于診斷這些疾病方面脈搏信息也包含了許多有價(jià)值的人體生理病理信息，如它可反映出血管阻力的大??；每搏輸出量的多少；血管的伸展性；主動(dòng)脈狹窄和主動(dòng)脈瓣閉鎖的情況等。脈搏作為生理參考信息，其在血壓測(cè)量及血流量檢測(cè)等方面也起著重要的作用。對(duì)于心血管疾病的防治血壓與脈搏的量測(cè)是大家值得去研究與關(guān)注的問題。

本文是基于HYCON HY16F188內(nèi)部的高精度∑△ADC搭配LCD 驅(qū)動(dòng)IC HY2613用示波法和臂式量測(cè)方式對(duì)血壓脈搏進(jìn)行量測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)表明：用該方法實(shí)現(xiàn)的電子血壓計(jì)具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)便，成本低等特點(diǎn)，適合作為保健類儀器大批量生產(chǎn)。

2 原理說明

2.1 血壓檢測(cè)

現(xiàn)在血壓的檢測(cè)方發(fā)大致可以分為兩類：柯氏法（也叫聽診法）與示波法(也叫震蕩法)。而現(xiàn)在大多數(shù)電子血壓計(jì)基本上利用示波法來量測(cè)人體的血壓，主要是柯氏法存在一些固有的缺點(diǎn)：一是確定舒張壓比較困難；二是此法憑人的視覺和聽覺，帶有主觀因素，除非專業(yè)醫(yī)生，一般人很難測(cè)準(zhǔn)血壓。七十年代出現(xiàn)了多種柯氏法電子血壓計(jì)，試圖實(shí)現(xiàn)血壓的自動(dòng)檢測(cè)，但很快發(fā)現(xiàn)這類血壓計(jì)未能克服柯氏法的固有缺點(diǎn)，誤差大，重復(fù)性差。目前，國外大多數(shù)無損自動(dòng)血壓自動(dòng)檢測(cè)儀器都采用示波法。

血壓計(jì)示波法的測(cè)量過程中包含加壓、定速排氣或充氣、血壓測(cè)量的技術(shù)來進(jìn)行。并采用充氣袖套來阻斷上臂動(dòng)脈血流，由于心搏的血液動(dòng)力學(xué)作用，在袖帶壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動(dòng)，即脈搏波。在加壓過程當(dāng)袖帶壓力小于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈逐漸彈開，振蕩波幅逐漸增大；當(dāng)袖帶壓力等于平均脈壓時(shí)，動(dòng)脈管壁完全處于去負(fù)荷狀態(tài)，波幅達(dá)到最大值；袖帶壓力上升到平均脈壓以下時(shí)，臂帶逐漸綁緊，波幅逐漸減小。相應(yīng)的波形如圖。
 

圖 震蕩法的ADC脈搏曲線信號(hào)

基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分析方法判定平均脈壓的準(zhǔn)則是：袖帶內(nèi)振蕩信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的最小袖帶壓力為動(dòng)脈平均壓。當(dāng)腕帶的壓力等于血壓時(shí)，血液開始可以流通而產(chǎn)生所謂的cuff聲，這時(shí)候也就是收縮壓，我們必須開始從這里做記錄，直到最最后cuff聲沒有的時(shí)候，此點(diǎn)即為舒張壓。

2.2 感測(cè)元件

對(duì)于人體血壓信號(hào)的感測(cè)是利用專用半導(dǎo)體材料的傳感器US09111-006S，為電阻式全橋式壓力傳感器，具有良好的線性度，輸出電壓與所加壓力成正比關(guān)系，寬的工作溫度范圍-40℃—85℃。通過HY16F188內(nèi)部LDO提供2.4V于壓力senor兩端它可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0～100mV的電信號(hào)，對(duì)應(yīng)的血壓值為0～40KPa，與血壓計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常匹配，因此特別適合示波法壓力測(cè)量。

2.3 血壓信號(hào)及控制晶片

人體血壓信號(hào)通過壓力感測(cè)元件轉(zhuǎn)為電信號(hào)，而且這個(gè)信號(hào)直接利用HY16F188內(nèi)部最大為128倍的放大及它的高精度ADC和內(nèi)建LDO模塊提供參考電壓把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字量。由于HY16F188具有以下的特性，血壓信號(hào)的量測(cè)電路非常簡(jiǎn)單，性價(jià)比非常高。

HY16F188的特性：
? 系統(tǒng)工作電壓2.4-3.6V;
? 10MIPS 32bit 控制器；
? 低的耗電流；

A. 工作模式下的耗電流450uA/MIPS；

B. 睡眠模式的耗電量2.5uA.
? 內(nèi)建VDDA穩(wěn)壓器，可選擇電壓：off，2.4V，2.7V，3.0V，3.3V；
? 內(nèi)建單獨(dú)使用于系統(tǒng)電源與晶片電源的charge Pump regulator；
? 外部震蕩電路輸入或者內(nèi)部高精度RC振蕩器，并有4種工作時(shí)鐘切換選擇；
? 全差動(dòng)的輸入方式；
? 內(nèi)建前置放大器（PGA）可選擇增益×1, ×2, ×4, ×8, ×16, ×32, ×64,×128 ；
? 內(nèi)建直流偏壓設(shè)置，可選擇0,±1/8,±1/4 , ±3/8, ±1/2,±5/8, ±3/4, ±7/8的VREF的偏置電壓；
? 內(nèi)置4種信號(hào)輸入模式切換（正向輸入、S-短路，S+短路，交叉）；
? 可選擇10，20， 40、80、160、320、640、1280、2560、5120或者10240 sps的數(shù)據(jù)輸出速率；
? SPI與UART數(shù)據(jù)傳送界面；
? 64K的flash memory與8K bytes SRAM；
? 16bit的PWM控制器；
? –40°C to +85°C的操作溫度范圍；

2.4 電源控制

血壓計(jì)的主控部分采用16F188 32bit為內(nèi)核的單片機(jī)，并其內(nèi)建單獨(dú)使用于晶片電源的charge Pump電路；這樣的電源控制，能在剛啟動(dòng)直流電機(jī)的時(shí)候由于瞬間的大電流使用這個(gè)模塊能防止電源瞬間被拉低而造成系統(tǒng)復(fù)位。而且當(dāng)啟動(dòng)馬達(dá)時(shí)，對(duì)于16F188內(nèi)部Charge Pump 的控制只需通過軟件來切換晶片的工作電源選擇。16F188這樣的電源設(shè)計(jì)架構(gòu)與其他的血壓計(jì)應(yīng)用比較起來，電源部分的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔無需外接charge Pump的升壓電路，而且可以做到能直接使用兩節(jié)電池來供電。


圖 HY16F188內(nèi)部電源架構(gòu)

3 硬件架構(gòu)說明

血壓計(jì)的整體線路主要包括：ADC量測(cè)電路、充放氣控制、控制顯示

3.1 ADC量測(cè)電路及內(nèi)部ADC設(shè)置
 

血壓信號(hào)量測(cè)電路

壓力傳感器的采用定電壓的驅(qū)動(dòng)方式，它的輸入電壓由HY16F188內(nèi)部LDO設(shè)置為3.3V的VDDA端子提供，US9111-006-D為內(nèi)阻為5K的電阻全橋式的壓力sensor，壓力sensor的輸出信號(hào)直接由HY16F188內(nèi)部高精度的∑△ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)化位數(shù)字量。

信號(hào)處理部分，HY16F188內(nèi)部 ADC參考電壓也是由VDDA端子經(jīng)AI2供給參考電壓正端REFP，VSS端子經(jīng)AI3短接到參考電壓負(fù)端REFN。由于壓力傳感器的最大輸出信號(hào)為42mV，而參考電壓為1.65V，這個(gè)信號(hào)直接由HY16F188內(nèi)部PGA進(jìn)行放大24倍來滿足ADC量測(cè)要求。這樣的量測(cè)電路VDDA的溫漂對(duì)量測(cè)系統(tǒng)不會(huì)造成影響，而且HY16F188內(nèi)部PGA的溫漂為±10ppM/℃，所以HY16F188的溫漂對(duì)量測(cè)部分的影響非常小。另外參考電壓端與信號(hào)輸入端子的兩顆電容必須要加，這在溫度變化時(shí)，讓ADC有足夠的保持時(shí)間。
3.2 充放氣控制電路
 

圖充放氣控制電路

充氣控制電路是通過16F188的內(nèi)部16 bit的PWM輸出及三級(jí)管的控制電路來控制直流馬達(dá)對(duì)袖帶的充氣。并通過調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比來控制袖帶內(nèi)的充氣速度。而袖帶內(nèi)的放氣也是由PWM輸出high與low的狀態(tài)經(jīng)三極管的開關(guān)電路來控制電磁氣閥門的打開與關(guān)閉。

在充氣控制上，PWM設(shè)置的輸出頻率120HZ，當(dāng)剛啟動(dòng)充氣馬達(dá)時(shí)通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)快速充氣過程，當(dāng)袖帶內(nèi)的氣壓達(dá)到35mmHg時(shí)通過調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比來改變充氣的速度，并在當(dāng)前氣壓下ADC開始能分辨出人體的血壓信號(hào)。

3.3 顯示控制部分

顯示部分的控制是由HYCON的LCD driver晶片HY2613來驅(qū)動(dòng)4片LCD面板的顯示。HY2613與HY16F188主控之間通過I2C接口來配置HY2613并控制lcd面板的顯示。分別可以顯示收縮壓、舒張壓、心率及時(shí)間。

4 血壓判斷軟體流程

血壓計(jì)的檢測(cè)主要是對(duì)收縮舒、舒張壓、心率的檢測(cè)。示波法是目前檢測(cè)血壓中相對(duì)準(zhǔn)確率較高，因而也是最常用的方法。本文對(duì)血壓檢測(cè)是基于示波法，所以下面介紹示波法對(duì)血壓的分析方法。

4.1 血壓判別法

本文是對(duì)血壓的量測(cè)是基于示波法的S判別法，該方法判別血壓時(shí)首先確定脈搏波幅度的最大值A(chǔ)m，且同時(shí)需要根據(jù)所在最大值的振蕩波進(jìn)行積分再除以波動(dòng)周期得到收縮壓對(duì)應(yīng)的波動(dòng)幅度A(sp)，舒張壓對(duì)應(yīng)的波動(dòng)幅度A(dp)則由最大幅度與A(sp)的差值得到。在脈搏波曲線上，波動(dòng)幅度為A(sp)、A(dp)時(shí)對(duì)應(yīng)的袖套壓力即收縮壓、舒張壓。


圖 脈搏特征曲線

4.2 脈搏信號(hào)提取

對(duì)于脈搏信號(hào)的采集，HYCON的HY16F188內(nèi)建有效位為21bit高精度∑△ADC，并結(jié)合內(nèi)部64倍的放大完全能有效的分辨出人體的血壓信號(hào)。另外，由于ADC采集到的壓力值包含DC壓力信號(hào)與心臟周期性搏動(dòng)的AC血壓信號(hào)，軟件上的處理方面有效的提取AC分量對(duì)人體血壓的量測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵的步驟。

4.3 血壓處理流程

對(duì)于血壓信號(hào)的處理主要是通過軟件判斷來分辨每次心臟搏動(dòng)時(shí)AC信號(hào)的峰值與波谷值之間的差值所對(duì)應(yīng)的振幅的大小，并比較每次采集到的血壓信號(hào)振幅值的大小來判斷是否是取得最大的振動(dòng)波。同時(shí)在血壓信號(hào)處理的過程中需保存每次血壓信號(hào)峰值所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)壓力和搏動(dòng)的振幅值大小，其次也需對(duì)每次血壓搏動(dòng)信號(hào)的曲線做積分。大致的分析流程可以參照?qǐng)D8所述。

另外需補(bǔ)充說明的是在圖8所示的流程圖中如果判斷當(dāng)前波形為最大振幅波時(shí)，后續(xù)會(huì)跟蹤連續(xù)的三個(gè)波形為減少才確認(rèn)最大振幅波已經(jīng)找到，根據(jù)這個(gè)最大振幅波的位置與對(duì)應(yīng)的平均幅值往前尋找該平均幅值的大小間于哪兩個(gè)振幅波之間，并通過尋找的這兩個(gè)波形所對(duì)應(yīng)靜態(tài)壓力的平均值為舒張壓。而收縮壓所對(duì)應(yīng)的幅值是最大振幅減去最大振幅處所對(duì)應(yīng)的平均幅值往后繼續(xù)找舒張壓對(duì)應(yīng)相鄰振幅波幅值之間，同樣也根據(jù)這兩個(gè)間于舒張壓幅值之間的振幅波峰值對(duì)應(yīng)的靜態(tài)壓力來計(jì)算舒張壓

5 結(jié)論

以HY16F188內(nèi)建高精度ADC為模擬信號(hào)處理前端搭與內(nèi)建提供ADC部分的LCD輸出在臂式血壓信號(hào)的處理方面完全能滿足設(shè)計(jì)規(guī)格，并且還內(nèi)建直接可提供于晶片電源的charge Pump regulator模塊，無需外接升壓電路。這個(gè)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分利用了HY16F188內(nèi)部資源來量測(cè)血壓信號(hào)，使得外圍電路非常簡(jiǎn)單,抗干擾能力佳，性價(jià)比高等特性。與其他的血壓計(jì)設(shè)計(jì)來比這樣的血壓量測(cè)系統(tǒng)有著廣闊的市場(chǎng)前景。

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