基于MN101EF32D單片機(jī)的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

引言

血壓是極為重要的健康指標(biāo)，血壓測量的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到人們的健康。國家把血壓計(jì)列為強(qiáng)制檢定計(jì)量器具。一般醫(yī)院使用的水銀血壓計(jì)基于人工柯氏音法，這種方法存在一些固有的缺點(diǎn)：一是放氣的快慢對讀數(shù)有直接影響，國際標(biāo)準(zhǔn)放氣速度為每秒3～5mmHg，而不同的醫(yī)生放氣有快有慢，會(huì)影響測量的準(zhǔn)確度；二是這種方法以人的視覺、聽覺和協(xié)調(diào)程度為主要依據(jù)，很難標(biāo)準(zhǔn)化。為此，本設(shè)計(jì)從血壓的檢測方法著手，采用日本松下公司高速、低功耗的MN101EF32D單片機(jī)，作為血壓計(jì)測量、控制、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)顯示的核心，可準(zhǔn)確地采用示波法（振蕩法）測量血壓。

工作原理
示波法（振蕩法）是根據(jù)袖帶在減壓過程中，其壓力振蕩波的振幅變化包絡(luò)線來判定血壓的。目前比較一致的看法是當(dāng)袖帶壓力振蕩波的振幅最大時(shí)，袖帶的壓力就是動(dòng)脈的平均壓。動(dòng)脈的收縮壓對應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)。

硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。壓力傳感器輸出的電壓信號首先通過低通濾波器濾波，之后由運(yùn)放電路將信號轉(zhuǎn)化為適合單片機(jī)的輸入信號，最后將模擬的采樣信號經(jīng)過MN101EF32D單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后分析，計(jì)算出人體血壓的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)"舒張壓"和"收縮壓"，之后單片機(jī)立即將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中，并將這些重要數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

傳感器紹及其外圍電路的設(shè)計(jì)

該血壓計(jì)使用的傳感器為MPS-3100-006G壓阻式壓力傳感器，是由四個(gè)等值電阻組成的惠式電橋，其輸出電壓和輸入壓力成正比，理想狀態(tài)下當(dāng)壓力輸入時(shí)，電阻值就跟著改變，但實(shí)際上溫度的改變也會(huì)影響其阻值輸出結(jié)果。另外，由于晶體和電路設(shè)計(jì)制作的誤差，加上封裝過程等方面的影響，零點(diǎn)偏移不是零。所以必須由外加元件來進(jìn)行個(gè)別溫度補(bǔ)償電路校正。其重要指標(biāo)如下：

a、傳感器測定范圍：5.8~15 PSIG
b、操作溫度范圍：?40~85 ℃
c、驅(qū)動(dòng)電流：1.5~3mA
d、驅(qū)動(dòng)電壓：5~15V
e、零點(diǎn)漂移：?25~25mV
f、電阻溫度系數(shù)為：0.2％/℃

因?yàn)檠獕盒盘柸∽允直?，測量的信號容易受袖帶的位置、手臂的挪動(dòng)而帶來的干擾。根據(jù)這些專業(yè)特點(diǎn)，要求系統(tǒng)具備高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪聲以及低漂移等特征。如圖2所示，圖中的T1即為MPS-3100-006G壓阻式壓力傳感器。整個(gè)電路首先將壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后進(jìn)行放大濾波。圖中U1、U2為有源運(yùn)放LM324，它的輸入阻抗很高。壓力傳感器的信號通過放大后，并通過調(diào)節(jié)VR1的大小來改變運(yùn)放的閉環(huán)增益，以調(diào)節(jié)為適應(yīng)于A/D的電壓輸入范圍。U1運(yùn)放回路用來測量袖帶中的壓力，測量的數(shù)據(jù)用來供MCU分析并控制對袖帶充氣和放氣的速度。另外U2運(yùn)放回路是將通過C11電容隔直的交流信號放大，此回路測量的是人體的脈搏波。兩個(gè)回路的采集數(shù)據(jù)構(gòu)成了血壓計(jì)各個(gè)指標(biāo)的重要計(jì)算參數(shù)。

MN101EF32D的特性

MN101EF32D是松下（Panasonic）公司于2008年初推出的產(chǎn)品，MN101Exx系列8位單片機(jī)復(fù)合了多功能的外圍功能，具有靈活而最優(yōu)化的硬件結(jié)構(gòu)，簡潔而高效的指令體系，充分實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和高速性。

MN101E32D型單片機(jī)，內(nèi)置64KB Flash、4KB RAM，具備6個(gè)外部中斷、20個(gè)內(nèi)部中斷(包括NMI)、9個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器、3個(gè)串行接口、8路A/D轉(zhuǎn)換器、32×4段LCD驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)視定時(shí)器、單系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送功能、同步輸出功能以及蜂鳴器輸出等外圍功能。最小指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)50ns，封裝為64引腳LQFP。本血壓計(jì)使用MN101EF32D的功能大致如下：

a、10位A/D采樣，用于靜態(tài)壓力及脈搏波的測量。
b、LCD顯示控制器，直接驅(qū)動(dòng)23*4段的液晶顯示器，顯示測量的過程及結(jié)果。
c、定時(shí)器功能，用于定時(shí)A/D采樣數(shù)據(jù)并計(jì)算自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間。
d、采用數(shù)字信號處理的技術(shù)對A/D采樣的信號進(jìn)行處理，主要有數(shù)字低通濾波和相關(guān)的計(jì)算。
e、電源開啟采用硬件控制的方法，電源關(guān)閉采用軟件控制的方法，關(guān)機(jī)時(shí)除了穩(wěn)壓模塊外，其它芯片處于斷電狀態(tài)，功耗極低。
f、測量時(shí)可以選擇mmHg和Kpa作為主顯示方式，測量精度高，達(dá)到靜態(tài)1mmHg、動(dòng)態(tài)3mmHg的測量精度。由于采用鐵電存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)媒介，數(shù)據(jù)的保存時(shí)間很長。

MN101EF32D與外部串行鐵電存儲(chǔ)器的硬件連接

在選擇外部存儲(chǔ)器時(shí)，由于考慮到要長期反復(fù)擦除、寫入所設(shè)置的工作參數(shù)和測量到的重要信息，并保存大量的歷史數(shù)據(jù)，因此必須使用容量較大的靜態(tài)存儲(chǔ)器，以便寫入盡可能多的數(shù)據(jù)信息并保證掉電后數(shù)據(jù)不丟失。由于EEPROM本身的設(shè)計(jì)工藝。壽命有限，而且寫入的時(shí)間較長，因此不適合用于電池供電的系統(tǒng)。血壓計(jì)需要保存的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)依次為收縮壓（2個(gè)字節(jié)）、舒張壓（2個(gè)字節(jié)）、平均壓（2個(gè)字節(jié)）、脈搏（2個(gè)字節(jié)）、每次記錄的時(shí)間（5個(gè)字節(jié)）等，每次測量需要13字節(jié)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。假設(shè)每天測量4次，需要13×4＝52字節(jié)，血壓計(jì)能夠保存7天的數(shù)據(jù)則需要364字節(jié)，故選用"鐵電"的24cL04。當(dāng)打開血壓計(jì)使用的時(shí)候，單片機(jī)在其PA0口模擬出IIC總線的SCL，并輸入給外部存儲(chǔ)器24cL04的SCL引腳，同時(shí)PA1口與24cL04的SDA口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將有用的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

電源處理模塊及其相關(guān)電路設(shè)

本血壓計(jì)選用2節(jié)7號電池作為電源的輸入。為了達(dá)到較好的供電質(zhì)量，在此電路中選擇了DC/DC升壓芯片RN5RK331A，將2節(jié)串聯(lián)的1.5伏7號電池構(gòu)成的3V左右的電壓升到3.3V，供給系統(tǒng)中的模擬電路電源，也作為數(shù)字電路的正電源供給MCU（如圖3所示）?？紤]到氣泵、氣閥如果與模擬電路、數(shù)字電路直接共用一個(gè)電源，會(huì)引入比較大的干擾，從而影響壓力傳感器、運(yùn)放以及MCU的正常工作，所以設(shè)計(jì)成氣泵、氣閥不與其它器件接在一起，直接由電池供電。

另外，血壓計(jì)的重要采集數(shù)據(jù)通過運(yùn)放放大的袖帶氣壓和隔直后的脈搏波，由于它們都是通過微小的信號放大后得到的，所以A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)也極為重要。系統(tǒng)采用智能充氣測量、自動(dòng)降壓，在降壓的過程中進(jìn)行測量。由于在氣閥工作降壓的時(shí)候，電源受到波動(dòng)，如果用系統(tǒng)電源直接拿來作為A/D的參考電壓基準(zhǔn)，必然會(huì)給測量帶來誤差。采用National Semiconductor的LM385作為A/D轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)連接到芯片的VREF+引腳，確保采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確。

LCD顯示模塊的設(shè)計(jì)

如圖4、5所示，為了使用戶更為方便、簡單地使用本系統(tǒng)，采用LCD顯示。
松下的MN101EF32D芯片內(nèi)置了LCD驅(qū)動(dòng)模塊，可以直接驅(qū)動(dòng)LCD。先初始化LCD方式控制寄存器1(LCDMD)，它是8位寄存器，用來指定LCD時(shí)鐘、LCD顯示的ON/OFF、顯示占空比等。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的主要流程如下：

上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化工作。單片機(jī)開始給氣泵供電，讓袖帶迅速充氣至被測者收縮壓以上約30mmHg左右。之后單片機(jī)通過1路A/D開始采集袖帶的氣壓，并根據(jù)袖帶內(nèi)氣壓下降的速度來控制排氣閥排氣，使袖帶內(nèi)勻速降壓（3~5mmHg /s）。與此同時(shí)，另外1路A/D開始采集經(jīng)過隔直的脈搏波。當(dāng)脈搏波的振幅最大時(shí)，袖帶的壓力就是動(dòng)脈的平均壓。動(dòng)脈的收縮壓對應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)。

軟件主要細(xì)分為以下3個(gè)重要模塊：

一）勻速降壓控制模塊
盡管氣閥有自動(dòng)緩慢放氣的特點(diǎn)，但為了使袖帶迅速充氣至被測者收縮壓以上30mmHg左右后勻速降壓（3~5mmHg /s），而不能用普通的處理方法，因?yàn)檎麄€(gè)測量過程中容易受到外界震動(dòng)的影響，如人為的震動(dòng)袖帶、氣管的震動(dòng)、人的身體運(yùn)動(dòng)等，另外氣管的剛性度也會(huì)影響到袖帶內(nèi)氣壓微弱的變化。所以袖帶內(nèi)的壓力降低的速度與氣閥開關(guān)的頻率為非線形關(guān)系。

本設(shè)計(jì)采用了PID算法來控制氣閥的開關(guān)時(shí)間來確保袖帶以3~5mmHg /s的速度勻速降壓。受到單片機(jī)的處理速度和RAM資源的限制，這里不采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，最后再除以2N（相當(dāng)于移位），作類似定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，可大大提高運(yùn)算速度。最終賦值給定時(shí)器，來控制氣閥的開啟時(shí)間，從而保證降壓的速度恒定。

在PID算法中三個(gè)基本的參數(shù)Kp、Ki、Kd的設(shè)定與調(diào)整是比較難的部分，根據(jù)這些參數(shù)的作用原理，總結(jié)調(diào)整方法大致如下：

1、壓力很快就降到目標(biāo)值，但壓力降的太多：
a)比例系數(shù)太大；
b)微分系數(shù)過??；
2、壓力下降達(dá)不到目標(biāo)值：
a)比例系數(shù)過??；
b)積分系數(shù)過??；
3、基本上能夠控制在目標(biāo)上，但上下偏差較大，且經(jīng)常波動(dòng)
a)微分系數(shù)過??；
b)積分系數(shù)過大；

二）信號處理模塊

本血壓計(jì)測量信號為2路，MPS-3100-006G壓力傳感器的信號首先進(jìn)行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號讀數(shù)的誤差，之后放大送AD1，作為靜態(tài)血壓信號；隔直后經(jīng)再次放大送AD2，作為脈搏波信號。由于MN101EF32D的A/D為10位，因此最高精度可達(dá)1/1024。為了最大限度地利用A/D轉(zhuǎn)換的采樣速度，用中斷來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢，在中斷程序中，用防脈沖干擾移動(dòng)平均值法來實(shí)現(xiàn)簡單有效的數(shù)字濾波，使測量更加準(zhǔn)確。具體做法為在一次定時(shí)中斷內(nèi)連續(xù)進(jìn)行5次A/D轉(zhuǎn)換，去掉最大值和最小值，剩余3個(gè)數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值作為此次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

三）計(jì)算血壓模塊

袖帶氣壓和脈搏波經(jīng)信號處理模塊的處理后，得出如圖6所示的數(shù)據(jù)。圖中的下方為被測者的脈搏波，上方為血壓計(jì)升壓和壓降過程中的袖帶壓力。在此基礎(chǔ)上分析信號，供收縮壓、舒張壓、平均壓和心率的計(jì)算。單片機(jī)在測量過程中已經(jīng)存儲(chǔ)各個(gè)脈搏波的峰值，以及每個(gè)脈搏波的間隔時(shí)間。

收縮壓判據(jù)的確定采用最大振幅法，即在放氣過程中脈搏波幅度包絡(luò)線的上升段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um（平均壓）之比剛剛大于Ks時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。

Ps=P/Ui=Ks*Um
舒張壓判據(jù)的確定也是用最大振幅法來判定的，不過是在脈搏波幅度包絡(luò)線的下降段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um（平均壓）之比剛剛小于Kd時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓。

Pd=P/Ui=Kd*Um

先用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)Ks = 0.54和Kd = 0.72來計(jì)算，經(jīng)測試后再進(jìn)行修正。

心率即為脈搏波的周期，具體也為算術(shù)平均值做法。

結(jié)論

基于MN101EF32D單片機(jī)的血壓計(jì)，充分利用了該芯片本身的功能，具備電路簡單、功耗低、電源要求單一、精度高以及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的市場前景.