以混合信號單片機實(shí)現電子血壓計應用

以混合信號單片機實(shí)現電子血壓計應用

1 簡(jiǎn)介

隨著(zhù)社會(huì )、經(jīng)濟文化的發(fā)展，人們飲食、生活、工作習慣出現了不健康的改變，導致心血管疾病成為目前國民的主要死亡原因之一。據不完全統計數據表明，每年中國因心血管疾病而死亡人數正在以百分之三的速度增加，兒童增加數量更為嚴重，但是我國對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。

如果能經(jīng)常測量自己的血壓，就做到對自己的健康情況心理有數，早期發(fā)現問(wèn)題，就能得到較好的治療效果。另外對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，其在血壓測量及血流量檢測等方面也起著(zhù)重要的作用。對于心血管疾病的防治血壓與脈搏的量測是大家值得去研究與關(guān)注的問(wèn)題。

本文是基于HYCON HY16F188內部的高精度∑△ADC搭配LCD 驅動(dòng)IC HY2613用示波法和臂式量測方式對血壓脈搏進(jìn)行量測，測試數據表明：用該方法實(shí)現的電子血壓計具有測量精度高、抗干擾能力強、使用簡(jiǎn)便，成本低等特點(diǎn)，適合作為保健類(lèi)儀器大批量生產(chǎn)。

2 原理說(shuō)明

2.1 血壓檢測

現在血壓的檢測方發(fā)大致可以分為兩類(lèi)：柯氏法（也叫聽(tīng)診法）與示波法(也叫震蕩法)。而現在大多數電子血壓計基本上利用示波法來(lái)量測人體的血壓，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(jué)和聽(tīng)覺(jué)，帶有主觀(guān)因素，除非專(zhuān)業(yè)醫生，一般人很難測準血壓。七十年代出現了多種柯氏法電子血壓計，試圖實(shí)現血壓的自動(dòng)檢測，但很快發(fā)現這類(lèi)血壓計未能克服柯氏法的固有缺點(diǎn)，誤差大，重復性差。目前，國外大多數無(wú)損自動(dòng)血壓自動(dòng)檢測儀器都采用示波法。

血壓計示波法的測量過(guò)程中包含加壓、定速排氣或充氣、血壓測量的技術(shù)來(lái)進(jìn)行。并采用充氣袖套來(lái)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(guò)程當袖帶壓力小于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈逐漸彈開(kāi)，振蕩波幅逐漸增大；當袖帶壓力等于平均脈壓時(shí)，動(dòng)脈管壁完全處于去負荷狀態(tài)，波幅達到最大值；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。相應的波形如圖。
 

圖 震蕩法的ADC脈搏曲線(xiàn)信號

基于統計規律的分析方法判定平均脈壓的準則是：袖帶內振蕩信號達到最大值時(shí)對應的最小袖帶壓力為動(dòng)脈平均壓。當腕帶的壓力等于血壓時(shí)，血液開(kāi)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(kāi)始從這里做記錄，直到最最后cuff聲沒(méi)有的時(shí)候，此點(diǎn)即為舒張壓。

2.2 感測元件

對于人體血壓信號的感測是利用專(zhuān)用半導體材料的傳感器US09111-006S，為電阻式全橋式壓力傳感器，具有良好的線(xiàn)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(guò)HY16F188內部LDO提供2.4V于壓力senor兩端它可以直接將動(dòng)脈血液對血管壁的壓力轉換為0～100mV的電信號，對應的血壓值為0～40KPa，與血壓計的設計要求非常匹配，因此特別適合示波法壓力測量。

2.3 血壓信號及控制晶片

人體血壓信號通過(guò)壓力感測元件轉為電信號，而且這個(gè)信號直接利用HY16F188內部最大為128倍的放大及它的高精度ADC和內建LDO模塊提供參考電壓把這個(gè)信號轉成數字量。由于HY16F188具有以下的特性，血壓信號的量測電路非常簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比非常高。

HY16F188的特性：
? 系統工作電壓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.
? 內建VDDA穩壓器，可選擇電壓：off，2.4V，2.7V，3.0V，3.3V；
? 內建單獨使用于系統電源與晶片電源的charge Pump regulator；
? 外部震蕩電路輸入或者內部高精度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；
? 內建前置放大器（PGA）可選擇增益×1, ×2, ×4, ×8, ×16, ×32, ×64,×128 ；
? 內建直流偏壓設置，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；
? 內置4種信號輸入模式切換（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的數據輸出速率；
? SPI與UART數據傳送界面；
? 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

血壓計的主控部分采用16F188 32bit為內核的單片機，并其內建單獨使用于晶片電源的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復位。而且當啟動(dòng)馬達時(shí)，對于16F188內部Charge Pump 的控制只需通過(guò)軟件來(lái)切換晶片的工作電源選擇。16F188這樣的電源設計架構與其他的血壓計應用比較起來(lái)，電源部分的設計非常簡(jiǎn)潔無(wú)需外接charge Pump的升壓電路，而且可以做到能直接使用兩節電池來(lái)供電。


圖 HY16F188內部電源架構

3 硬件架構說(shuō)明

血壓計的整體線(xiàn)路主要包括：ADC量測電路、充放氣控制、控制顯示

3.1 ADC量測電路及內部ADC設置
 

血壓信號量測電路

壓力傳感器的采用定電壓的驅動(dòng)方式，它的輸入電壓由HY16F188內部LDO設置為3.3V的VDDA端子提供，US9111-006-D為內阻為5K的電阻全橋式的壓力sensor，壓力sensor的輸出信號直接由HY16F188內部高精度的∑△ADC進(jìn)行轉化位數字量。

信號處理部分，HY16F188內部 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短接到參考電壓負端REFN。由于壓力傳感器的最大輸出信號為42mV，而參考電壓為1.65V，這個(gè)信號直接由HY16F188內部PGA進(jìn)行放大24倍來(lái)滿(mǎn)足ADC量測要求。這樣的量測電路VDDA的溫漂對量測系統不會(huì )造成影響，而且HY16F188內部PGA的溫漂為±10ppM/℃，所以HY16F188的溫漂對量測部分的影響非常小。另外參考電壓端與信號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(guò)16F188的內部16 bit的PWM輸出及三級管的控制電路來(lái)控制直流馬達對袖帶的充氣。并通過(guò)調節PWM輸出的占空比來(lái)控制袖帶內的充氣速度。而袖帶內的放氣也是由PWM輸出high與low的狀態(tài)經(jīng)三極管的開(kāi)關(guān)電路來(lái)控制電磁氣閥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉。

在充氣控制上，PWM設置的輸出頻率120HZ，當剛啟動(dòng)充氣馬達時(shí)通過(guò)調節PWM的占空比來(lái)實(shí)現快速充氣過(guò)程，當袖帶內的氣壓達到35mmHg時(shí)通過(guò)調節PWM輸出的占空比來(lái)改變充氣的速度，并在當前氣壓下ADC開(kāi)始能分辨出人體的血壓信號。

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(lái)驅動(dòng)4片LCD面板的顯示。HY2613與HY16F188主控之間通過(guò)I2C接口來(lái)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

血壓計的檢測主要是對收縮舒、舒張壓、心率的檢測。示波法是目前檢測血壓中相對準確率較高，因而也是最常用的方法。本文對血壓檢測是基于示波法，所以下面介紹示波法對血壓的分析方法。

4.1 血壓判別法

本文是對血壓的量測是基于示波法的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Am，且同時(shí)需要根據所在最大值的振蕩波進(jìn)行積分再除以波動(dòng)周期得到收縮壓對應的波動(dòng)幅度A(sp)，舒張壓對應的波動(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(xiàn)上，波動(dòng)幅度為A(sp)、A(dp)時(shí)對應的袖套壓力即收縮壓、舒張壓。


圖 脈搏特征曲線(xiàn)

4.2 脈搏信號提取

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

4.3 血壓處理流程

對于血壓信號的處理主要是通過(guò)軟件判斷來(lái)分辨每次心臟搏動(dòng)時(shí)AC信號的峰值與波谷值之間的差值所對應的振幅的大小，并比較每次采集到的血壓信號振幅值的大小來(lái)判斷是否是取得最大的振動(dòng)波。同時(shí)在血壓信號處理的過(guò)程中需保存每次血壓信號峰值所對應的靜態(tài)壓力和搏動(dòng)的振幅值大小，其次也需對每次血壓搏動(dòng)信號的曲線(xiàn)做積分。大致的分析流程可以參照圖8所述。

另外需補充說(shuō)明的是在圖8所示的流程圖中如果判斷當前波形為最大振幅波時(shí)，后續會(huì )跟蹤連續的三個(gè)波形為減少才確認最大振幅波已經(jīng)找到，根據這個(gè)最大振幅波的位置與對應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(guò)尋找的這兩個(gè)波形所對應靜態(tài)壓力的平均值為舒張壓。而收縮壓所對應的幅值是最大振幅減去最大振幅處所對應的平均幅值往后繼續找舒張壓對應相鄰振幅波幅值之間，同樣也根據這兩個(gè)間于舒張壓幅值之間的振幅波峰值對應的靜態(tài)壓力來(lái)計算舒張壓

5 結論

以HY16F188內建高精度ADC為模擬信號處理前端搭與內建提供ADC部分的LCD輸出在臂式血壓信號的處理方面完全能滿(mǎn)足設計規格，并且還內建直接可提供于晶片電源的charge Pump regulator模塊，無(wú)需外接升壓電路。這個(gè)的設計系統充分利用了HY16F188內部資源來(lái)量測血壓信號，使得外圍電路非常簡(jiǎn)單,抗干擾能力佳，性?xún)r(jià)比高等特性。與其他的血壓計設計來(lái)比這樣的血壓量測系統有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景。

更多產(chǎn)品詳情請參考纮康科技網(wǎng)站: http://www.hycontek.com/page2-HY16F.html