基于可編程片上系統(tǒng)的智能電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)

對(duì)以往電子血壓計(jì)的不足，介紹了一種基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的智能電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)，血壓測(cè)量的方法采用基于充氣過(guò)程的示波法。該系統(tǒng)采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌NNIOS II軟核作為核心處理器，可以完成自動(dòng)測(cè)量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查看和刪除歷史數(shù)據(jù)等功能。由于采用了FPGA，從而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，有利于系統(tǒng)的升級(jí)。

        血壓是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。隨著人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化程度的提高，人們自我保健意識(shí)逐漸增強(qiáng)，電子血壓計(jì)具有低成本、小型化、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，如今已作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞。SOPC(可編程片上系統(tǒng))是 Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC。它可以將MCU、DSP和FPGA完美結(jié)合，有非常好的發(fā)展前景。

1 人體血壓測(cè)量原理

1．1血壓測(cè)量

        血壓測(cè)量方法有很多，最常用的無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量方法為柯氏音法和示波法。本文設(shè)計(jì)所采用的是基于充氣的示波法?；谑静ǚǖ某錃鉁y(cè)量恰好是放氣測(cè)量的逆過(guò)程，如圖1所示，在壓力增加(充氣)過(guò)程中，檢測(cè)靜壓力和袖帶內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng)。壓力較小時(shí)，在袖帶靜壓力小于舒張壓Pd之前，動(dòng)脈管壁在舒張期已充分?jǐn)U展，管壁剛性增加，因而波幅維持在較小的水平。隨著壓力的增加，當(dāng)袖帶壓力高于收縮壓Ps時(shí)，動(dòng)脈被壓閉，此時(shí)因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細(xì)小的振蕩波；當(dāng)袖帶靜壓等于平均壓時(shí)，波幅達(dá)到最大值；振蕩波的包絡(luò)線所對(duì)應(yīng)的袖帶靜壓力就間接地反映了動(dòng)脈血壓。
 

1．2 心率計(jì)算

        心率指心臟每分鐘搏動(dòng)的次數(shù)，由于心臟與脈搏搏動(dòng)一致，所以在測(cè)量血壓的同時(shí)可以測(cè)得心率。心率的測(cè)定關(guān)鍵判斷脈搏波的峰值，然后根據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)測(cè)定有多少個(gè)脈搏波，從而計(jì)算出心率。

2 SOPC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        SOPC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2．1 SOPC系統(tǒng)電路

        該部分電路由FPGA芯片、存儲(chǔ)器以及其他外圍元件組成，是信號(hào)處理的核心部分。由SOPC Builder硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建包括CPU、存儲(chǔ)器接口和I／O外設(shè)的嵌入式微處理器系統(tǒng)。完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，可以用SOPC Builder來(lái)生成系統(tǒng)。下圖為在SOPC Builder中構(gòu)建的系統(tǒng)內(nèi)容配置。

        SOPC系統(tǒng)中添加了EPCS設(shè)備控制器核，這樣做的目的是做到充分利用系統(tǒng)資源，將FPGA的配置數(shù)據(jù)以及Nios II的軟件程序固化到EPCS芯片中，為Flash芯片節(jié)省出更多的空間來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果。這時(shí)Nios II處理器的復(fù)位地址要設(shè)置為EPCS控制器的基地址，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后固化到EPCS芯片中的程序?qū)⒆詣?dòng)下載到SDRAM中運(yùn)行。

        圖4為由SOPC Builder硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的SOPC系統(tǒng)的頂層模塊圖。 [!--empirenews.page--]

2．2 壓力測(cè)量電路

2．2．1 壓力傳感器選型

        本設(shè)計(jì)的壓力傳感器選擇的是Motorola公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓力傳感器。其內(nèi)部含有信號(hào)運(yùn)放，具有信號(hào)調(diào)節(jié)功能，有良好的線性度，可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0．2～4．7V的電信號(hào)，對(duì)應(yīng)的血壓值為0～375mmHg，與血壓計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常匹配。

2．2．2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

        控制氣泵和電磁閥工作的信號(hào)是由FPGA發(fā)出的，氣泵需要的工作驅(qū)動(dòng)電流為450mA，電磁閥為75mA，而FPGA的數(shù)字I／O輸出電流不能滿足要求。因此，為給氣泵和電磁閥提供合適的驅(qū)動(dòng)電流，采用達(dá)林頓管陣列ULN2803驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)氣泵和電磁閥工作。ULN2803可輸出500mA的電流，分別利用ULN2803的第一路、第二路來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥和氣泵，第三路驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED用來(lái)指示脈搏波信號(hào)。如圖5所示。

2．3 傳感器輸出信號(hào)的提取

        從壓力傳感器出來(lái)的信號(hào)是脈搏波的振蕩信號(hào)和靜壓力信號(hào)的混合信號(hào)，還夾雜著來(lái)自外界的高頻干擾、直流或低頻分量。我們將混合信號(hào)分為兩個(gè)部分，一部分經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，從而提取出袖帶壓信號(hào)，另一部分則通過(guò)帶通濾波、放大電路，得到放大的脈搏波數(shù)據(jù)后再送入A／D轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)提取部分的具體電路如圖6所示。

        這里采用截止頻率為0．48Hz的二階低通巴特沃斯濾波器，將低通濾波器增益設(shè)為1，這樣做可以盡量減少誤差的放大。采用具有信號(hào)放大能力的有源濾波器對(duì)脈搏波信號(hào)的提取，通帶頻率范圍設(shè)計(jì)為0．48～4．8Hz。脈搏波信號(hào)放大濾波后，要使其最大幅度盡量接近A／D轉(zhuǎn)換模塊的允許上限，這樣有助于提高采集數(shù)據(jù)的精度。

        由于需要對(duì)靜壓信號(hào)和脈搏波信號(hào)分別進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，因此需要兩個(gè)采樣通道。人體的臂動(dòng)脈血壓，收縮壓一般在95～140mmHg范圍內(nèi)，平均值為 110～120mmHg，舒張壓為60～90mmHg，平均值為80mmHg，考慮到高血壓等疾病情況，血壓計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)該在0～250mmHg內(nèi)，則對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的要求至少為8位(28=256)。

2．4 鍵盤(pán)電路與顯示電路

        本系統(tǒng)用1個(gè)按鍵作為系統(tǒng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，5個(gè)按鍵作為系統(tǒng)操作鍵盤(pán)，分別完成測(cè)量血壓、查看記錄、上翻記錄、下翻記錄和刪除記錄的功能。顯示部分采用的是128×64點(diǎn)陣LCD顯示器，具有操作簡(jiǎn)便，界面友好的特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)的軟件工作流程框圖如圖7所示。其中信號(hào)處理算法部分主要是對(duì)采樣的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理，包括采用數(shù)字濾波算法對(duì)各種干擾噪聲信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與去除，改善脈搏波的包絡(luò)線等，以提高電子血壓計(jì)在測(cè)量血壓時(shí)的抗干擾能力與測(cè)量精度。

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        當(dāng)用戶測(cè)量血壓時(shí)，按下“測(cè)量”按鍵，SOPC系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)給氣泵，開(kāi)始加壓充氣。充氣的過(guò)程中，來(lái)自壓力傳感器的血壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波后送入A／D 轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送入SOPC系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)處理算法，計(jì)算出心率、收縮壓和舒張壓的值。SOPC計(jì)算出測(cè)量值以后，保存本次測(cè)試結(jié)果至 Flash芯片(寫(xiě)Flash)，如果測(cè)量結(jié)果正常，則LCD顯示出所測(cè)的數(shù)據(jù)并執(zhí)行快速放氣操作；如果測(cè)量出的結(jié)果超出正常范圍，則顯示相應(yīng)提示信息，同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲音和放氣控制信號(hào)。如果在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)將停止充氣并啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行放氣，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)顯示測(cè)量出錯(cuò)的提示信息。

        用戶可按下相應(yīng)按鍵來(lái)完成“查看”(讀Flash芯片)、“刪除”(擦除Flash芯片中當(dāng)前存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容)等功能。若用戶想退出當(dāng)前操作或者是測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，直接按下復(fù)位鍵系統(tǒng)即可回到初始化狀態(tài)等待新的操作信息。

4 測(cè)量結(jié)果對(duì)比與分析

        為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果，我們將此電子血壓計(jì)與市面上評(píng)價(jià)比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計(jì)分別對(duì)不同的個(gè)體進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表1所示：

        從多組測(cè)量結(jié)果的對(duì)比可以看出，雖然測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，但本血壓計(jì)對(duì)不同的測(cè)量者具有良好的個(gè)體適應(yīng)性。與歐姆龍電子血壓計(jì)相比，本血壓計(jì)測(cè)得的血壓結(jié)果略有偏大，這是因?yàn)殡娮友獕河?jì)采用基于充氣過(guò)程的示波法，特征點(diǎn)的確定只能依賴采集樣本的統(tǒng)計(jì)歸納，有一定的離散性，此外，在測(cè)量過(guò)程中，壓力傳感器輸出信號(hào)以及放大、濾波等電路的輸出信號(hào)都可能與真實(shí)值之間存在一些小的差異，因此會(huì)存在一定的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

        本文所提出的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案采用的是基于充氣測(cè)量的方法。具有操作簡(jiǎn)單方便、界面友好、測(cè)量精度較高、個(gè)體適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且由于采用充氣過(guò)程測(cè)量，放氣速度很快，因此縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了用戶的測(cè)量舒適度。