陳洪燕，孫超，王游司，王烈進(jìn)

(內(nèi)江師范學(xué)院，四川內(nèi)江，641000)

引言

隨著人們生活水平的提高，人們越來越關(guān)注自己的身體健康。生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大，心血管疾病呈上升趨勢，血壓是身體非常重要的一項(xiàng)健康指標(biāo)。如果能夠經(jīng)常測量自己的血壓，那么就相當(dāng)于掌握了自己的身體健康狀況。因此，不少中老年朋友都會(huì)定期地測量血壓來檢查自己的身體是否健康，能夠做到早發(fā)現(xiàn)早治療。但對于測量血壓，大多數(shù)人們都會(huì)選擇去醫(yī)院讓醫(yī)生幫忙測量，而自己在家里無法完成，相對來說較為麻煩。但是隨著科技的發(fā)展，智能化越來越普遍，各種智能設(shè)備大量地出現(xiàn)在了市場上，在人們的日常生活中也出現(xiàn)了越來越多的家庭化的醫(yī)學(xué)電子儀器，給人們的生活提供了便捷的方式。因此，采用智能化的方式進(jìn)行測量血壓的必然是一大趨勢。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化來測量血壓，減少人們的不便，本文設(shè)計(jì)了以LM3S1138作為控制核心、壓力傳感器US9116-00作為信號采集器的電子血壓計(jì)，并且將從硬件的設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)兩個(gè)方面闡述該系統(tǒng)。

1 示波法原理

家用的電子血壓計(jì)中大部分是采用示波法原理來測量血壓的。其優(yōu)點(diǎn)是簡便、可靠、易實(shí)現(xiàn)。示波法測量血壓的過程與聽診法一致，即把袖帶加壓阻斷動(dòng)脈血流，在減壓過程中通過儀器來識別從手臂中傳到袖帶的小脈沖，然后加以差別來得到血壓值。與脈搏波最大值對應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別為第一個(gè)大于等于0.5倍的k值所對應(yīng)的血壓值及第一個(gè)小于等于0.8倍的k值所對應(yīng)的血壓值。

示波法測量血壓的原理如圖1： 當(dāng)袖帶內(nèi)靜壓大于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈關(guān)閉，袖帶內(nèi)因近端脈搏的沖擊而出現(xiàn)細(xì)小的振蕩波;當(dāng)靜壓小于收縮壓時(shí):波幅增大，靜壓等于平均劫脈壓時(shí)，動(dòng)脈管壁處于去負(fù)荷狀態(tài),波幅達(dá)到最大;靜壓小于平均動(dòng)脈壓時(shí)波幅逐漸減小;靜壓小于舒張壓以后,動(dòng)脈管壁在舒張期已充分?jǐn)U張,管壁剛性增加,而波幅維持較小的水平。放氣過程中連續(xù)記錄的振蕩波中的脈動(dòng)成分呈現(xiàn)近似拋物線的包絡(luò)，示波法的關(guān)鍵在于找到充放氣脈動(dòng)壓力波的包絡(luò)及其與動(dòng)脈血壓之間的關(guān)系。

圖1 示波法原理圖

2 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示：此系統(tǒng)的硬件包括了LM3S1138控制器、壓力傳感器、氣泵、報(bào)警電路、液晶顯示及鍵盤等。其中，氣動(dòng)電路由袖帶、氣泵、壓力傳感器和放氣閥組成。氣動(dòng)電具備控制外界施加的壓力和和對于壓力數(shù)據(jù)信號的收集的功能；濾波放大電路用于放大壓力傳感器輸出的信號；對于測量記錄的存儲在存儲模塊中實(shí)現(xiàn)；當(dāng)遇到異常情況時(shí)報(bào)警電路將會(huì)作出相應(yīng)的反映；液晶顯示模塊用于顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)以及之前的數(shù)據(jù)；對于鍵盤模塊，將用于輸入設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)。

軟件設(shè)計(jì)中，控制按鍵掃描程序用來檢測袖帶氣壓；信號處理程序用來計(jì)算收縮壓和舒張壓、液晶顯示和報(bào)警提示用于顯示血液信息并提示血壓測量完成。下面將對每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

圖2 總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 LM3S1138控制器

LM3S1138控制器是針對工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的，包托遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C(jī)、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)、工廠自動(dòng)化、HVAC和建筑控制、游戲設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。至于那些對功耗有特別要求的應(yīng)用方案，LM3S1138微控制器還具有一個(gè)電池備用的休眼模塊， 從而有效的使LM3S1138芯片在未被激活的時(shí)候進(jìn)入低功耗狀態(tài)。一個(gè)上電/掉電序列發(fā)生器、 連續(xù)的時(shí)間計(jì)數(shù)器(RTC)、一對匹配寄存器、 一個(gè)到系統(tǒng)總線的 APB接口以及專用的非易失性存儲器、休眼楔塊等功能組件使LM3S1138控制器極其適合用在電池的應(yīng)用中。

對于測量血壓的智能設(shè)備：如智能手環(huán)、智能手表等，內(nèi)部都會(huì)使用電池。因此，本系統(tǒng)采用LM3S138作為核心控制部分。

LM3S1138控制器主要特性如下：

（1）32位RISC性能

－提供系統(tǒng)定時(shí)器，包括一個(gè)簡單的24位寫清零、遞減、自裝載計(jì)數(shù)器，同時(shí)具有靈活的控制機(jī)制

－工作頻率為50-MHz

－硬件除法和單周期乘法

－集成嵌套向量中斷控制器，使中斷的處理更為簡捷

－34個(gè)中斷，具有8個(gè)優(yōu)先級

－存儲器保護(hù)單元提供一個(gè)特權(quán)模式來保護(hù)操作系統(tǒng)的功能

－非對齊式數(shù)據(jù)訪問，使數(shù)據(jù)能夠更為有效的安置到存儲器中

－精確的位操作，不僅最大限度的利用了存儲器空間而且還改良了對外設(shè)的控制

（2）內(nèi)部存儲器

－64 KB單周期Flash

－16 KB單周期SRAM

（3）通用定時(shí)器

－32位定時(shí)器模式

可編程的單次觸發(fā)定時(shí)器

可編程的周期定時(shí)器

當(dāng)接入32.768KHz外部時(shí)鐘輸入時(shí)可作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用

當(dāng)控制器在調(diào)試期間使CPU暫停標(biāo)志有效時(shí)，用戶可以在周期和單次觸發(fā)模式中使能中止ADC事件觸發(fā)

－16位定時(shí)器模式

通用定時(shí)器功能，帶一個(gè)8位的預(yù)分頻器

可編程的單次觸發(fā)定時(shí)器

可編程的周期定時(shí)器

當(dāng)控制器在調(diào)試期間使 CPU暫停標(biāo)志有效時(shí)，用戶可以使能中止 ADC事件觸發(fā)

（4）同步串行接口（SSI） 2個(gè)SSI模塊，每個(gè)具有下列特性：

－主機(jī)或從機(jī)操作

－可編程控制的時(shí)鐘位速率和預(yù)分頻

（5）模擬比較器

－3個(gè)獨(dú)立集成的模擬比較器

－可以把輸出配置為：驅(qū)動(dòng)輸出管腳、產(chǎn)生中斷或者ADC采樣序列

－比較兩個(gè)外部管腳輸入或者將外部管腳輸入與內(nèi)部可編程參考電壓相比較

（6）電源

－片內(nèi)低壓差穩(wěn)壓器，具有可編程的輸出電壓，用戶可調(diào)節(jié)的范圍為2.25V到2.75V

－休眠模式處理上電/掉電3.3V序列并控制內(nèi)核數(shù)字邏輯和模擬電路

－控制器的低功耗選擇：睡眠模式和深度睡眠模式

－外設(shè)的低功耗選擇：軟件控制單個(gè)外設(shè)的關(guān)斷

－LDO帶有檢測不可調(diào)整電壓和自動(dòng)復(fù)位的功能，可由用戶控制使能

－3.3V電源掉電檢測，可通過中斷或復(fù)位來報(bào)告

（7）靈活的復(fù)位源

－上電復(fù)位

－復(fù)位管腳有效

－掉電檢測器向系統(tǒng)發(fā)出電源下降的警報(bào)

－軟件復(fù)位

－內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器輸出變?yōu)椴环€(wěn)定

單片機(jī)內(nèi)部所有的工作時(shí)鐘都由時(shí)鐘電路提供。使用12MHZ晶振，單片機(jī)的時(shí)鐘周期為1/12us,機(jī)器周期為1us

3.2 氣動(dòng)電路模塊

氣動(dòng)電路主要由袖帶、壓力傳感器、放氣閥組成。LM3S1138控制器A/D兩路的信號與壓力傳感器輸出的兩路信號相連接，以此來完成對靜壓信號和脈搏信號的測量；LM3S1138主控制器通過驅(qū)動(dòng)芯片控制和放氣閥，完成測量時(shí)候的充放氣。本設(shè)計(jì)采用的壓力傳感器為US9116-00，如圖3所示

圖3 US9116-00壓力傳感器

3.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

此設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心部件，其內(nèi)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，它是一種 8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有8通道多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以直接對8路電壓模擬量化進(jìn)行轉(zhuǎn)換，精度適中。每采集一次可需要10微秒。采用中斷方式讀入結(jié)果，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生信號，將其與中央控制單元的外部中斷連接，便可采集到數(shù)據(jù)。其引腳圖4所示

圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊

3.4 濾波調(diào)理電路

從傳感器輸出的信號實(shí)際是脈搏波與靜壓力信號的疊加，還有其他來自外界信號的高頻干擾或直流低頻分量，實(shí)際測壓時(shí)，如果被測者身體移動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，而這種干擾與脈搏波的頻率很相近，且幅值較大，另外50Hz工頻千擾無處不在，所以應(yīng)該采用抗干擾措施。雖然傳感器有放大功能，但對脈搏波的放大能力有限，主要還是靜壓力信號，靜壓力信號屬于低頻信號，頻率小于等于0.04Hz，脈搏波信號大約在0.1至30Hz左右，因此將混合信號分為兩路，一路直接輸入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，另一路經(jīng)濾波放大后使其幅度盡量接近單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的允許上限，提高采集數(shù)據(jù)的精度。

濾波調(diào)理電路的是用來從噪聲中提取袖帶壓信號和脈搏波信號。并且將他們調(diào)整到適當(dāng)?shù)碾娖捷斎虢oA/D轉(zhuǎn)換電路。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的獲得直流電壓序列和交流電壓序列。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，模式為默認(rèn)模式。測量血壓時(shí)如果血壓異常，則會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示，如果血壓正常，則保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 總結(jié)

針對測量血壓不便的問題，本文提出了以LM3S1138為主控制器，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了示波法測量血壓的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括氣動(dòng)電路和液晶顯示兩部分。該血壓計(jì)簡便易攜，并且操作很簡單，適合各個(gè)階段的人群使用，特別是對于行動(dòng)不便的老年人，在家就能夠測量血壓。血壓作為人體生命的主要參數(shù)之一，一直是臨床醫(yī)學(xué)所關(guān)心的主要指標(biāo)。

通過分析測量血壓的原理以及現(xiàn)有的測量血壓的方法，本文設(shè)計(jì)出了示波法測量血壓的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)血壓判定方法，能夠更加準(zhǔn)確測量血壓，具有重要的研究價(jià)值。

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