以混合信號單片機實現(xiàn)電子血壓計應用

以混合信號單片機實現(xiàn)電子血壓計應用

1 簡介

隨著社會、經(jīng)濟文化的發(fā)展，人們飲食、生活、工作習慣出現(xiàn)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(jù)不完全統(tǒng)計數(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(shù)，早期發(fā)現(xiàn)問題，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；主動脈狹窄和主動脈瓣閉鎖的情況等。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)注的問題。

本文是基于HYCON HY16F188內(nèi)部的高精度∑△ADC搭配LCD 驅(qū)動IC HY2613用示波法和臂式量測方式對血壓脈搏進行量測，測試數(shù)據(jù)表明：用該方法實現(xiàn)的電子血壓計具有測量精度高、抗干擾能力強、使用簡便，成本低等特點，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

現(xiàn)在血壓的檢測方發(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)電子血壓計基本上利用示波法來量測人體的血壓，主要是柯氏法存在一些固有的缺點：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，一般人很難測準血壓。七十年代出現(xiàn)了多種柯氏法電子血壓計，試圖實現(xiàn)血壓的自動檢測，但很快發(fā)現(xiàn)這類血壓計未能克服柯氏法的固有缺點，誤差大，重復性差。目前，國外大多數(shù)無損自動血壓自動檢測儀器都采用示波法。

血壓計示波法的測量過程中包含加壓、定速排氣或充氣、血壓測量的技術(shù)來進行。并采用充氣袖套來阻斷上臂動脈血流，由于心搏的血液動力學作用，在袖帶壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動，即脈搏波。在加壓過程當袖帶壓力小于收縮壓時，動脈逐漸彈開，振蕩波幅逐漸增大；當袖帶壓力等于平均脈壓時，動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，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脈搏曲線信號

基于統(tǒng)計規(guī)律的分析方法判定平均脈壓的準則是：袖帶內(nèi)振蕩信號達到最大值時對應的最小袖帶壓力為動脈平均壓。當腕帶的壓力等于血壓時，血液開始可以流通而產(chǎn)生所謂的cuff聲，這時候也就是收縮壓，我們必須開始從這里做記錄，直到最最后cuff聲沒有的時候，此點即為舒張壓。

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脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0～100mV的電信號，對應的血壓值為0～40KPa，與血壓計的設(shè)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

人體血壓信號通過壓力感測元件轉(zhuǎn)為電信號，而且這個信號直接利用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信號轉(zhuǎn)成數(shù)字量。由于HY16F188具有以下的特性，血壓信號的量測電路非常簡單，性價比非常高。

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種工作時鐘切換選擇；
? 全差動的輸入方式；
? 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

血壓計的主控部分采用16F188 32bit為內(nèi)核的單片機，并其內(nèi)建單獨使用于晶片電源的charge Pump電路；這樣的電源控制，能在剛啟動直流電機的時候由于瞬間的大電流使用這個模塊能防止電源瞬間被拉低而造成系統(tǒng)復位。而且當啟動馬達時，對于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)計架構(gòu)與其他的血壓計應用比較起來，電源部分的設(shè)計非常簡潔無需外接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

血壓計的整體線路主要包括：ADC量測電路、充放氣控制、控制顯示

3.1 ADC量測電路及內(nèi)部ADC設(shè)置
 

血壓信號量測電路

壓力傳感器的采用定電壓的驅(qū)動方式，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的輸出信號直接由HY16F188內(nèi)部高精度的∑△ADC進行轉(zhuǎn)化位數(shù)字量。

信號處理部分，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，這個信號直接由HY16F188內(nèi)部PGA進行放大24倍來滿足ADC量測要求。這樣的量測電路VDDA的溫漂對量測系統(tǒng)不會造成影響，而且HY16F188內(nèi)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，讓ADC有足夠的保持時間。
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輸出及三級管的控制電路來控制直流馬達對袖帶的充氣。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，當剛啟動充氣馬達時通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來實現(xiàn)快速充氣過程，當袖帶內(nèi)的氣壓達到35mmHg時通過調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比來改變充氣的速度，并在當前氣壓下ADC開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來驅(qū)動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，該方法判別血壓時首先確定脈搏波幅度的最大值A(chǔ)m，且同時需要根據(jù)所在最大值的振蕩波進行積分再除以波動周期得到收縮壓對應的波動幅度A(sp)，舒張壓對應的波動幅度A(dp)則由最大幅度與A(sp)的差值得到。在脈搏波曲線上，波動幅度為A(sp)、A(dp)時對應的袖套壓力即收縮壓、舒張壓。


圖 脈搏特征曲線

4.2 脈搏信號提取

對于脈搏信號的采集，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。另外，由于ADC采集到的壓力值包含DC壓力信號與心臟周期性搏動的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軟件判斷來分辨每次心臟搏動時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判斷是否是取得最大的振動波。同時在血壓信號處理的過程中需保存每次血壓信號峰值所對應的靜態(tài)壓力和搏動的振幅值大小，其次也需對每次血壓搏動信號的曲線做積分。大致的分析流程可以參照圖8所述。

另外需補充說明的是在圖8所示的流程圖中如果判斷當前波形為最大振幅波時，后續(xù)會跟蹤連續(xù)的三個波形為減少才確認最大振幅波已經(jīng)找到，根據(jù)這個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振幅波之間，并通過尋找的這兩個波形所對應靜態(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(xù)找舒張壓對應相鄰振幅波幅值之間，同樣也根據(jù)這兩個間于舒張壓幅值之間的振幅波峰值對應的靜態(tài)壓力來計算舒張壓

5 結(jié)論

以HY16F188內(nèi)建高精度ADC為模擬信號處理前端搭與內(nèi)建提供ADC部分的LCD輸出在臂式血壓信號的處理方面完全能滿足設(shè)計規(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。這個的設(shè)計系統(tǒng)充分利用了HY16F188內(nèi)部資源來量測血壓信號，使得外圍電路非常簡單,抗干擾能力佳，性價比高等特性。與其他的血壓計設(shè)計來比這樣的血壓量測系統(tǒng)有著廣闊的市場前景。

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