基于A(yíng)RM的便攜式心血管無(wú)創(chuàng )檢測系統

2 儀器設計
2.1 硬件設計
心血管功能參數無(wú)創(chuàng )檢測儀的系統框圖如圖2所示。該儀器以32位ARM單片計算機LPC2114為核心，包括傳感器、充/放氣自動(dòng)控制電路、信號調理電路、液晶顯示器LCD、外部存儲器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）電路、鍵盤(pán)、電源管理、USB接口等幾部分。

2.1.1 嵌入式處理器
目前嵌入式處理器^[3-4]主要有以下幾類(lèi)：基于ARM內核的、MIPS、POWER PC、X86系列。對于嵌入式處理器的選擇需要考慮的因素主要有：外圍資源、價(jià)格、是否有片上Flash、開(kāi)發(fā)難易、應用領(lǐng)域等。常見(jiàn)的嵌入式處理器的比較如表1所示。

考慮到本系統有低成本、低功耗、便攜式的要求，所以選用ARM處理器。ARM處理器的特點(diǎn)是處理速度快、超低功耗、開(kāi)發(fā)資源豐富、價(jià)格低廉易購買(mǎi)，非常適合本系統的要求。具體芯片選擇PHILPS公司的32位ARM處理器LPC2114。該芯片具有加密功能、128KB片內Flash 程序存儲器、空閑和掉電二個(gè)低功耗模式、4/8路（64/144腳封裝）10位A/D轉換器(轉換時(shí)間為2.44μs)，二個(gè)32 位定時(shí)器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM單元（6 路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗。
2.1.2 傳感器
系統采用兩種傳感器：一個(gè)是專(zhuān)門(mén)用于血壓測量的壓阻式傳感器。另一個(gè)是半導體應變片式壓阻傳感器，用于采集腕部的脈搏波。半導體式傳感器^[5]主要由敏感元件、轉換元件和基本轉換電路構成。其中，敏感元件是彈性橫梁磷銅片，轉換元件是半導體應變片，基本轉換電路是四臂差動(dòng)電橋。此半導體壓阻傳感器具有靈敏系數大、機械滯后小、阻值范圍寬、橫向效應小等特性。
血壓傳感器選用臺灣生產(chǎn)的壓阻式傳感器MPS3100，其特性包括：氣壓范圍0-300mmHg，工作溫度范圍-40℃～85℃, 易用、易安裝于OEM設備、低價(jià)位SMD封裝，工作電源5V，因此MPS3100是一款非常適合于血壓測量的傳感器。為了減小溫度對傳感器信號的影響，在電路中特意設計了溫度補償電路，使傳感器轉換后的信號失真更小。具體電路如圖3所示。

2.1.3 信號調理電路
由于脈搏波信號屬于微弱、低頻信號，幅度只有10mV左右，所以需要設計兩級信號放大電路。本儀器采用程控放大電路，并根據采集到的信號大小，利用軟件控制不同的放大倍數，使信號輸出的幅度在0.8V左右，具體電路如圖4所示。在采集脈搏信號時(shí)，必須施加預壓力，因此檢測到的脈搏信號中包含一直流分量。為了提取到有用的脈搏波信號，在二級放大電路前加了一個(gè)電容來(lái)濾掉這個(gè)直流分量，由IC9高精度運算放大器再次將經(jīng)IC8放大的已經(jīng)不含直流分量的信號放大，并且通過(guò)IC7來(lái)控制信號的增益。AD8400是一個(gè)程控放大器，由ARM處理器根據采集脈搏波的幅值進(jìn)行調整和控制。IC9輸出信號幅值范圍在0～0.8V，該信號最后送往LPC2114的一路A/D中。

2.1.4 鍵盤(pán)和液晶顯示
顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，大小為120mm62mm12.5mm，其供電電源為5V，帶有背光，控制器是KS0107，STN 黃藍模式。測量之前要求輸入個(gè)人的資料，例如：身高、體重、年齡以及時(shí)間的調整以及測量操作需要按鍵。
本設計采用薄膜鍵盤(pán)，它具有外形美觀(guān)、防水防塵防腐蝕、壽命長(cháng)、性能穩定、按鍵反應靈敏、操作力均勻、無(wú)短路現象以及裝配方便的特點(diǎn)。儀器的鍵盤(pán)為28矩陣鍵盤(pán)，包括10個(gè)數字鍵0～9，4個(gè)方向鍵(上、下、左、右），“返回”和“確定”鍵。采用掃描輸入方式。如圖5所示，行線(xiàn)Key1、Key2的一端通過(guò)電阻接正電源，另外一端作為輸出端接LPC2114的I/O口。列線(xiàn)DB0～DB8作為輸入端接ARM的I/O口。這樣，當沒(méi)有鍵按下時(shí)，兩路輸出均為高電平。若行線(xiàn)輸出為低電平，一旦有鍵按下，則對應輸入的列線(xiàn)電位就會(huì )被拉低，通過(guò)讀入線(xiàn)的狀態(tài)就知道是否有鍵按下。鍵盤(pán)掃描的延時(shí)和去抖處理在軟件中實(shí)現。

2.1.5 電源管理
系統采用電池和電源適配器兩種方式供電。供電電池采用四節1.5V堿性電池，電源適配器采用輸出為6V的適配器，使儀器的使用更加方便。其電路如圖6所示。圖中，P8為電源適配器接口，電源適配器可通過(guò)D2和IC17將電壓穩定在6V，然后對電池BAT進(jìn)行充電。

儀器電源的開(kāi)關(guān)由鍵POWER控制。未開(kāi)機前，三極管TR16截止，系統內部沒(méi)有電源供應。POWER鍵為點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按下時(shí)V_bat經(jīng)R122和D7接地，三極管TR16導通，電源開(kāi)始給LPC2114及外圍電路供電。程序運行的過(guò)程中，LPC2114始終將V_CON置高電平，使TR17導通。雖然此時(shí)POWER鍵斷開(kāi)，但因為T(mén)R17導通，使三極管TR16的B極電位拉低，TR16導通，電源仍然正常供電。圖6中，OPEN接到LPC2114的一個(gè)外部中斷口，儀器在運行的過(guò)程中，按下電源鍵POWER并放開(kāi)，OPEN產(chǎn)生上跳沿，引起中斷，在中斷服務(wù)函數中設置V_CON為低電平，使三極管TR17截止，同時(shí)三極管TR16也隨之截止，從而切斷電源，實(shí)現關(guān)機的功能。
輸出電源通過(guò)電阻R123、R124分壓，V_low AD接入ARM的一路A/D中。當檢測到蓄電池電壓低于設定閾值時(shí)，則提醒用戶(hù)插上電源適配器開(kāi)始工作并對蓄電池充電。

2.2 軟件設計
為了實(shí)現系統工作的穩定性、軟件的可移植性并且便于日后升級，32位ARM單片計算機采用嵌入式操作系統是非常必要的。本系統采用源代碼公開(kāi)的μC/OSII操作系統，μC/OSII具有內核小、結構簡(jiǎn)單、可移植性和可裁剪性好等優(yōu)點(diǎn)。應用程序中包括若干個(gè)任務(wù)：液晶顯示、鍵盤(pán)掃描、USB通訊、外部存儲、充/放氣控制、測量任務(wù)、打印等，在測量任務(wù)中實(shí)現脈搏波和血壓的測量。脈搏波信號和血壓信號是通過(guò)兩個(gè)獨立的傳感器分別采集處理的，首先采集脈搏波信號，并對其放大、濾波、平均化、歸一化等處理后，計算脈搏波的特征點(diǎn)的特征值并保存；然后采集血壓信號，在放氣過(guò)程中，提取脈搏波的峰值組成的包絡(luò )線(xiàn)，利用示波法計算血壓和心率；最后通過(guò)血壓、心率、個(gè)人信息和已存的脈搏波特征值推算心血管參數。
3 測試結果
將本儀器用于人體心血管多參數的測量，共測量了56例無(wú)明顯心血管疾病病史的在校教師和學(xué)生，其中男生30例女生26例；年齡從20歲～54歲，然后對測量數據進(jìn)行統計分析，實(shí)測人群的心血管參數如表2所示。

利用便攜式心血管無(wú)創(chuàng )檢測儀能夠測量血管、心臟、血液、微循環(huán)四類(lèi)參數。實(shí)驗結果表明，儀器的重復性好，性能穩定，測量結果準確，能夠較好地反映相應的心血管健康狀況。特別是該儀器擺脫了傳統心血管檢測儀器對計算機的依賴(lài)，采用一體化的設計，操作方便快捷、結果簡(jiǎn)單直觀(guān)、重量輕、體積小，適合個(gè)人及家庭的心血管多參數快速的檢測，對心血管的保健和預防起到了很好的指導作用。
參考文獻
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