以混合信号单片机实现电子血压计应用

以混合信号单片机实现电子血压计应用

1 简介

随着社会、经济文化的发展，人们饮食、生活、工作习惯出现了不健康的改变，导致心血管疾病成为目前国民的主要死亡原因之一。据不完全统计数据表明，每年中国因心血管疾病而死亡人数正在以百分之三的速度增加，儿童增加数量更为严重，但是我国对于心血管疾病特别是高血压的防止方面异常薄弱，而血压与脉搏是最重要的健康指标。

如果能经常测量自己的血压，就做到对自己的健康情况心理有数，早期发现问题，就能得到较好的治疗效果。另外对于诊断这些疾病方面脉搏信息也包含了许多有价值的人体生理病理信息，如它可反映出血管阻力的大小；每搏输出量的多少；血管的伸展性；主动脉狭窄和主动脉瓣闭锁的情况等。脉搏作为生理参考信息，其在血压测量及血流量检测等方面也起着重要的作用。对于心血管疾病的防治血压与脉搏的量测是大家值得去研究与关注的问题。

本文是基于HYCON HY16F188内部的高精度∑△ADC搭配LCD 驱动IC HY2613用示波法和臂式量测方式对血压脉搏进行量测，测试数据表明：用该方法实现的电子血压计具有测量精度高、抗干扰能力强、使用简便，成本低等特点，适合作为保健类仪器大批量生产。

2 原理说明

2.1 血压检测

现在血压的检测方发大致可以分为两类：柯氏法（也叫听诊法）与示波法(也叫震荡法)。而现在大多数电子血压计基本上利用示波法来量测人体的血压，主要是柯氏法存在一些固有的缺点：一是确定舒张压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。七十年代出现了多种柯氏法电子血压计，试图实现血压的自动检测，但很快发现这类血压计未能克服柯氏法的固有缺点，误差大，重复性差。目前，国外大多数无损自动血压自动检测仪器都采用示波法。

血压计示波法的测量过程中包含加压、定速排气或充气、血压测量的技术来进行。并采用充气袖套来阻断上臂动脉血流，由于心搏的血液动力学作用，在袖带压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。在加压过程当袖带压力小于收缩压时，动脉逐渐弹开，振荡波幅逐渐增大；当袖带压力等于平均脉压时，动脉管壁完全处于去负荷状态，波幅达到最大值；袖带压力上升到平均脉压以下时，臂带逐渐绑紧，波幅逐渐减小。相应的波形如图。
 

图 震荡法的ADC脉搏曲线信号

基于统计规律的分析方法判定平均脉压的准则是：袖带内振荡信号达到最大值时对应的最小袖带压力为动脉平均压。当腕带的压力等于血压时，血液开始可以流通而产生所谓的cuff声，这时候也就是收缩压，我們必須开始从这里做记录，直到最最后cuff声沒有的時候，此点即为舒张压。

2.2 感测元件

对于人体血压信号的感测是利用专用半导体材料的传感器US09111-006S，为电阻式全桥式压力传感器，具有良好的线性度，输出电压与所加压力成正比关系，宽的工作温度范围-40℃—85℃。通过HY16F188内部LDO提供2.4V于压力senor两端它可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0～100mV的电信号，对应的血压值为0～40KPa，与血压计的设计要求非常匹配，因此特别适合示波法压力测量。

2.3 血压信号及控制晶片

人体血压信号通过压力感测元件转为电信号，而且这个信号直接利用HY16F188内部最大为128倍的放大及它的高精度ADC和内建LDO模块提供参考电压把这个信号转成数字量。由于HY16F188具有以下的特性，血压信号的量测电路非常简单，性价比非常高。

HY16F188的特性：
 系统工作电压2.4-3.6V;
 10MIPS 32bit 控制器；
 低的耗电流；

A. 工作模式下的耗电流450uA/MIPS；

B. 睡眠模式的耗电量2.5uA.
 内建VDDA稳压器，可选择电压：off，2.4V，2.7V，3.0V，3.3V；
 内建单独使用于系统电源与晶片电源的charge Pump regulator；
 外部震荡电路输入或者内部高精度RC振荡器，并有4种工作时钟切换选择；
 全差动的输入方式；
 内建前置放大器（PGA）可选择增益×1, ×2, ×4, ×8, ×16, ×32, ×64,×128 ；
 内建直流偏压设置，可选择0,±1/8,±1/4 , ±3/8, ±1/2,±5/8, ±3/4, ±7/8的VREF的偏置电压；
 内置4种信号输入模式切换（正向输入、S-短路，S+短路，交叉）；
 可选择10，20， 40、80、160、320、640、1280、2560、5120或者10240 sps的数据输出速率；
 SPI与UART数据传送界面；
 64K的flash memory与8K bytes SRAM；
 16bit的PWM控制器；
 –40°C to +85°C的操作温度范围；

2.4 电源控制

血压计的主控部分采用16F188 32bit为内核的单片机，并其内建单独使用于晶片电源的charge Pump电路；这样的电源控制，能在刚启动直流电机的时候由于瞬间的大电流使用这个模块能防止电源瞬间被拉低而造成系统复位。而且当启动马达时，对于16F188内部Charge Pump 的控制只需通过软件来切换晶片的工作电源选择。16F188这样的电源设计架构与其他的血压计应用比较起来，电源部分的设计非常简洁无需外接charge Pump的升压电路，而且可以做到能直接使用两节电池来供电。


图 HY16F188内部电源架构

3 硬件架构说明

血压计的整体线路主要包括：ADC量测电路、充放气控制、控制显示

3.1 ADC量测电路及内部ADC设置
 

血压信号量测电路

压力传感器的采用定电压的驱动方式，它的输入电压由HY16F188内部LDO设置为3.3V的VDDA端子提供，US9111-006-D为内阻为5K的电阻全桥式的压力sensor，压力sensor的输出信号直接由HY16F188内部高精度的∑△ADC进行转化位数字量。

信号处理部分，HY16F188内部 ADC参考电压也是由VDDA端子经AI2供给参考电压正端REFP，VSS端子经AI3短接到参考电压负端REFN。由于压力传感器的最大输出信号为42mV，而参考电压为1.65V，这个信号直接由HY16F188内部PGA进行放大24倍来满足ADC量测要求。这样的量测电路VDDA的温漂对量测系统不会造成影响，而且HY16F188内部PGA的温漂为±10ppM/℃，所以HY16F188的温漂对量测部分的影响非常小。另外参考电压端与信号输入端子的两颗电容必须要加，这在温度变化时，让ADC有足够的保持时间。
3.2 充放气控制电路
 

图充放气控制电路

充气控制电路是通过16F188的内部16 bit的PWM输出及三级管的控制电路来控制直流马达对袖带的充气。并通过调节PWM输出的占空比来控制袖带内的充气速度。而袖带内的放气也是由PWM输出high与low的状态经三极管的开关电路来控制电磁气阀门的打开与关闭。

在充气控制上，PWM设置的输出频率120HZ，当刚启动充气马达时通过调节PWM的占空比来实现快速充气过程，当袖带内的气压达到35mmHg时通过调节PWM输出的占空比来改变充气的速度，并在当前气压下ADC开始能分辨出人体的血压信号。

3.3 显示控制部分

显示部分的控制是由HYCON的LCD driver晶片HY2613来驱动4片LCD面板的显示。HY2613与HY16F188主控之间通过I2C接口来配置HY2613并控制lcd面板的显示。分别可以显示收缩压、舒张压、心率及时间。

4 血压判断软体流程

血压计的检测主要是对收缩舒、舒张压、心率的检测。示波法是目前检测血压中相对准确率较高，因而也是最常用的方法。本文对血压检测是基于示波法，所以下面介绍示波法对血压的分析方法。

4.1 血压判别法

本文是对血压的量测是基于示波法的S判别法，该方法判别血压时首先确定脉搏波幅度的最大值Am，且同时需要根据所在最大值的振荡波进行积分再除以波动周期得到收缩压对应的波动幅度A(sp)，舒张压对应的波动幅度A(dp)则由最大幅度与A(sp)的差值得到。在脉搏波曲线上，波动幅度为A(sp)、A(dp)时对应的袖套压力即收缩压、舒张压。


图 脉搏特征曲线

4.2 脉搏信号提取

对于脉搏信号的采集，HYCON的HY16F188内建有效位为21bit高精度∑△ADC，并结合内部64倍的放大完全能有效的分辨出人体的血压信号。另外，由于ADC采集到的压力值包含DC压力信号与心脏周期性搏动的AC血压信号，软件上的处理方面有效的提取AC分量对人体血压的量测是一个关键的步骤。

4.3 血压处理流程

对于血压信号的处理主要是通过软件判断来分辨每次心脏搏动时AC信号的峰值与波谷值之间的差值所对应的振幅的大小，并比较每次采集到的血压信号振幅值的大小来判断是否是取得最大的振动波。同时在血压信号处理的过程中需保存每次血压信号峰值所对应的静态压力和搏动的振幅值大小，其次也需对每次血压搏动信号的曲线做积分。大致的分析流程可以参照图8所述。

另外需补充说明的是在图8所示的流程图中如果判断当前波形为最大振幅波时，后续会跟踪连续的三个波形为减少才确认最大振幅波已经找到，根据这个最大振幅波的位置与对应的平均幅值往前寻找该平均幅值的大小间于哪两个振幅波之间，并通过寻找的这两个波形所对应静态压力的平均值为舒张压。而收缩压所对应的幅值是最大振幅减去最大振幅处所对应的平均幅值往后继续找舒张压对应相邻振幅波幅值之间，同样也根据这两个间于舒张压幅值之间的振幅波峰值对应的静态压力来计算舒张压

5 结论

以HY16F188内建高精度ADC为模拟信号处理前端搭与内建提供ADC部分的LCD输出在臂式血压信号的处理方面完全能满足设计规格，并且还内建直接可提供于晶片电源的charge Pump regulator模块，无需外接升压电路。这个的设计系统充分利用了HY16F188内部资源来量测血压信号，使得外围电路非常简单,抗干扰能力佳，性价比高等特性。与其他的血压计设计来比这样的血压量测系统有着广阔的市场前景。

更多产品详情请参考纮康科技网站: http://www.hycontek.com/page2-HY16F.html