數字化血壓監護儀參考設計方案

血壓監護儀簡(jiǎn)介

　　血壓監護儀是當血液被泵離心臟時(shí)用來(lái)測量動(dòng)脈壓力的設備。其組成部分包括：電源、電機、存儲器、壓力傳感器和用戶(hù)接口(包括顯示屏、小鍵盤(pán)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護儀參考設計RDQE128BPM。

　　 圖1 血壓監護儀參考設計RDQE128BPM

　　如何進(jìn)行血壓測量

　　當包裹著(zhù)患者手臂周?chē)男涮妆宦抛邥r(shí)，袖套中壓力的小變化可以被察覺(jué)。這些壓力的波動(dòng)由患者的心律周期產(chǎn)生，接著(zhù)它通過(guò)一個(gè)1Hz的高通濾波后被放大和偏移，產(chǎn)生血壓曲線(xiàn)。如圖2所示。這個(gè)新信號就是心跳信號。

　　使用前面所述心跳檢測方法，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的示波計法來(lái)測量血管收縮壓(SBP)和血管舒張壓(DBP)，這種方法被大多數自動(dòng)非介入式血壓監護設備所采用。當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量。當壓力低于血管的收縮壓時(shí)，這一幅度會(huì )突然增加。當袖套中壓力進(jìn)一步下降時(shí)，該脈沖幅度達到最大值并快速減小。舒張壓是在這一快速變化的開(kāi)始時(shí)被獲得的。因此SBP和DBP是通過(guò)定義脈沖幅度的快速上升區域(SBP)和下降區域(DBP)來(lái)獲得的。平均動(dòng)脈血壓(MAP)就在最大幅度處。

　　測量SBP和DBP能幫助診斷通常的高血壓，但是僅僅靠臨床監護不能區分兩種通常類(lèi)型的高血壓。

　　原發(fā)性高血壓

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

　　白大褂高血壓

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

　　模數轉換精度

　　如圖1所示，微控制器(MCU)和壓力傳感器是血壓計的核心技術(shù)。RDQE128BPM參考設計也說(shuō)明了在這一應用中最重要的是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)內部參照電壓電容式DAC。

　　血壓監護儀需要測量很小的信號，因此ADC分辨率通常是一個(gè)關(guān)鍵參數，如10位，12位或16位分辨率，這也是為應用設計選擇MCU的重要因素。同樣重要的還有ADC的精度。所有的ADC有其固有的不準確性，因為他們通過(guò)離散的步驟(量化)來(lái)數字化信號。因此，數字輸出不能完美地反映模擬輸入信號。例如，一個(gè)12位的轉換器將為一個(gè)最大5V的輸入電壓 提供1.22mV最低有效位(LSB)。因此，ADC僅能將數值數字化到1.22mV的倍數。在這個(gè)例子中，它表明最佳測量永遠不能比±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(xiàn)性等。一些ADC如Flexis產(chǎn)品使用的16位ADC具有通過(guò)校準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償得以具體化。

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

　　ENOB=(SNR-1.76dB)/6.02dB

　　這里， SNR(信噪比)是有意義信息(信號)和背景噪音(噪音或誤差)之間的比率。信噪比值不僅受到ADC設計和芯片集成的影響，也受到印刷電路板(PCB)設計、布線(xiàn)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(zhù)更多的信號是數據并且誤差很小，這能改進(jìn)當測量微伏級變化的信號時(shí)測量結果的精度。

　　提高精度

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

　　過(guò)采樣是通過(guò)一個(gè)比Nyquist 采樣頻率顯著(zhù)提高的采樣率來(lái)采集信號的過(guò)程。實(shí)際上，過(guò)采樣被用來(lái)獲取高分辨的ADC轉換器。例如，使用運行于256倍目標采樣率的12位轉換器就可進(jìn)行16位轉換。對每一個(gè)附加分辨率位，信號必須過(guò)采樣4倍。因為現實(shí)世界的ADC不能進(jìn)行不間斷的轉換，輸入值應當在轉換器進(jìn)行轉換期間保持一定。

　　采樣和保持電路通過(guò)這種方法來(lái)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(kāi)關(guān)來(lái)使電容從輸入端斷開(kāi)。使用設置好最適合輸入信號的采樣和保持時(shí)間的ADC，對改進(jìn)轉換結果的精度很有幫助。

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

　　還有四個(gè)可以管理的誤差來(lái)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，具有硬件校準特性，能在代碼執行期間反復進(jìn)行校準。不具有硬件校準的嵌入式ADC模塊仍然能進(jìn)行校準，但這必須在工廠(chǎng)中完成，或者有為產(chǎn)品設計的方案。

　　 圖2 血壓測量中的血壓變化

　 　圖3 噪聲耦合和過(guò)采樣結合進(jìn)一步改善精度

　　校準是一個(gè)3步驟的過(guò)程：第一步配置ADC，第二步開(kāi)始校準轉換并等待轉換完成，最后進(jìn)行偏移和增益校準。

　　偏移和增益校準值能夠根據結果被減小或放大。這能在軟件或在一些已實(shí)現的ADC硬件中完成。

　　輸入的偏移是三個(gè)需要補償的來(lái)源中最容易處理的。對一個(gè)單端輸入的轉換，輸入可以參考同樣的內部電壓。這應當能產(chǎn)生一個(gè)零結果。如果結果不是零，這就是偏移值，它必須從ADC結果中減去。如果使用差分轉換模式，偏移值能夠通過(guò)在兩個(gè)輸入引腳上變換同樣的信號來(lái)找到。

　　一旦偏移值已知，ADC的增益能夠從滿(mǎn)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?！　?/p>

　　 圖4 未校準量程與對應理想量程的偏移

　　圖4顯示了從接地到滿(mǎn)量程一個(gè)未校準的斜線(xiàn)對應理想斜線(xiàn)的偏移和增益被夸大的效果。在應用中取決于準確的ADC結果，在血壓監護儀中，它被要求指示微小的讀數變化(μV)，校準應該經(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，校準可以通過(guò)設計接地和VDD輸入到應用部分，在每次轉換后減去偏移并乘以計算的增益來(lái)獲得。

　　還有一種輸入誤差的來(lái)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電路中最低有效位的數十倍。最好的消除這一誤差的方法是在設計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ADC結果有影響。然而，溫度是一個(gè)慢變因素。一個(gè)血壓監護儀的常規的重復校準被設計在應用代碼中，這使用戶(hù)不用考慮理想條件，使溫度的影響最小。然而，在工廠(chǎng)中的完全校準(其結果貯存在存儲器的查詢(xún)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(lái)監控溫度，使調節可以進(jìn)行。

　　非線(xiàn)性幾乎是一個(gè)無(wú)法被校準的因素，因為它通常是模塊設計中所固有的。在每個(gè)編碼轉換之間的電壓差應該等于1LSB。因此，非線(xiàn)性是指編碼步長(cháng)的不規則間隔，它導致一些信號變形。

　　結語(yǔ)

　　飛思卡爾嵌入式控制器ADC具有高度集成的功能，從而使設計者能夠獲得高精度的測量。在最新的Flexis產(chǎn)品系列中的16位ADC能使開(kāi)發(fā)者通過(guò)調節ADC的偏移和增益提高精度，而不增加系統硬件和軟件的要求。

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