示波法智能血壓計系統設計

陳洪燕，孫超，王游司，王烈進

(內江師范學院，四川內江，641000)

引言

隨著人們生活水平的提高，人們越來越關注自己的身體健康。生活節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健康指標。如果能夠經常測量自己的血壓，那么就相當于掌握了自己的身體健康狀況。因此，不少中老年朋友都會定期地測量血壓來檢查自己的身體是否健康，能夠做到早發現早治療。但對于測量血壓，大多數人們都會選擇去醫院讓醫生幫忙測量，而自己在家里無法完成，相對來說較為麻煩。但是隨著科技的發展，智能化越來越普遍，各種智能設備大量地出現在了市場上，在人們的日常生活中也出現了越來越多的家庭化的醫學電子儀器，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行測量血壓的必然是一大趨勢。

為了實現系統智能化來測量血壓，減少人們的不便，本文設計了以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，并且將從硬件的設計和軟件流程設計兩個方面闡述該系統。

1 示波法原理

家用的電子血壓計中大部分是采用示波法原理來測量血壓的。其優點是簡便、可靠、易實現。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的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別為第一個大于等于0.5倍的k值所對應的血壓值及第一個小于等于0.8倍的k值所對應的血壓值。

示波法測量血壓的原理如圖1： 當袖帶內靜壓大于收縮壓時，動脈關閉，袖帶內因近端脈搏的沖擊而出現細小的振蕩波;當靜壓小于收縮壓時:波幅增大，靜壓等于平均劫脈壓時，動脈管壁處于去負荷狀態,波幅達到最大;靜壓小于平均動脈壓時波幅逐漸減小;靜壓小于舒張壓以后,動脈管壁在舒張期已充分擴張,管壁剛性增加,而波幅維持較小的水平。放氣過程中連續記錄的振蕩波中的脈動成分呈現近似拋物線的包絡，示波法的關鍵在于找到充放氣脈動壓力波的包絡及其與動脈血壓之間的關系。

圖1 示波法原理圖

2 整體設計

系統的工作原理框圖如圖2所示：此系統的硬件包括了LM3S1138控制器、壓力傳感器、氣泵、報警電路、液晶顯示及鍵盤等。其中，氣動電路由袖帶、氣泵、壓力傳感器和放氣閥組成。氣動電具備控制外界施加的壓力和和對于壓力數據信號的收集的功能；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現；當遇到異常情況時報警電路將會作出相應的反映；液晶顯示模塊用于顯示當前的數據以及之前的數據；對于鍵盤模塊，將用于輸入設置系統的參數。

軟件設計中，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算收縮壓和舒張壓、液晶顯示和報警提示用于顯示血液信息并提示血壓測量完成。下面將對每個模塊的設計進行詳細的闡述。

圖2 總體框圖

3 硬件設計

3.1 LM3S1138控制器

LM3S1138控制器是針對工業應用方案而設計的，包托遠程監控、電子販售機、測試和測量設備、網絡設備和交換機、工廠自動化、HVAC和建筑控制、游戲設備、運動控制、醫療器械、以及火警安防。至于那些對功耗有特別要求的應用方案，LM3S1138微控制器還具有一個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候進入低功耗狀態。一個上電/掉電序列發生器、 連續的時間計數器(RTC)、一對匹配寄存器、 一個到系統總線的 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用中。

對于測量血壓的智能設備：如智能手環、智能手表等，內部都會使用電池。因此，本系統采用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

－提供系統定時器，包括一個簡單的24位寫清零、遞減、自裝載計數器，同時具有靈活的控制機制

－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個中斷，具有8個優先級

－存儲器保護單元提供一個特權模式來保護操作系統的功能

－非對齊式數據訪問，使數據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的控制

（2）內部存儲器

－64 KB單周期Flash

－16 KB單周期SRAM

（3）通用定時器

－32位定時器模式

可編程的單次觸發定時器

可編程的周期定時器

當接入32.768KHz外部時鐘輸入時可作為實時時鐘使用

當控制器在調試期間使CPU暫停標志有效時，用戶可以在周期和單次觸發模式中使能中止ADC事件觸發

－16位定時器模式

通用定時器功能，帶一個8位的預分頻器

可編程的單次觸發定時器

可編程的周期定時器

當控制器在調試期間使 CPU暫停標志有效時，用戶可以使能中止 ADC事件觸發

（4）同步串行接口（SSI） 2個SSI模塊，每個具有下列特性：

－主機或從機操作

－可編程控制的時鐘位速率和預分頻

（5）模擬比較器

－3個獨立集成的模擬比較器

－可以把輸出配置為：驅動輸出管腳、產生中斷或者ADC采樣序列

－比較兩個外部管腳輸入或者將外部管腳輸入與內部可編程參考電壓相比較

（6）電源

－片內低壓差穩壓器，具有可編程的輸出電壓，用戶可調節的范圍為2.25V到2.75V

－休眠模式處理上電/掉電3.3V序列并控制內核數字邏輯和模擬電路

－控制器的低功耗選擇：睡眠模式和深度睡眠模式

－外設的低功耗選擇：軟件控制單個外設的關斷

－LDO帶有檢測不可調整電壓和自動復位的功能，可由用戶控制使能

－3.3V電源掉電檢測，可通過中斷或復位來報告

（7）靈活的復位源

－上電復位

－復位管腳有效

－掉電檢測器向系統發出電源下降的警報

－軟件復位

－內部低壓差穩壓器輸出變為不穩定

單片機內部所有的工作時鐘都由時鐘電路提供。使用12MHZ晶振，單片機的時鐘周期為1/12us,機器周期為1us

3.2 氣動電路模塊

氣動電路主要由袖帶、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主控制器通過驅動芯片控制和放氣閥，完成測量時候的充放氣。本設計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 數模轉換模塊

此設計以單片機為核心部件，其內與數模轉換器進行連接，它是一種 8位逐次逼近型A/D轉換器，內部具有8通道多路轉換開關，可以直接對8路電壓模擬量化進行轉換，精度適中。每采集一次可需要10微秒。采用中斷方式讀入結果，經A/D轉換結束后會自動產生信號，將其與中央控制單元的外部中斷連接，便可采集到數據。其引腳圖4所示

圖4 A/D轉換模塊

3.4 濾波調理電路

從傳感器輸出的信號實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，實際測壓時，如果被測者身體移動可能會產生較大的干擾，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進行模數轉換，另一路經濾波放大后使其幅度盡量接近單片機模數轉換模塊的允許上限，提高采集數據的精度。

濾波調理電路的是用來從噪聲中提取袖帶壓信號和脈搏波信號。并且將他們調整到適當的電平輸入給A/D轉換電路。

4 軟件設計

系統的軟件設計的關鍵在于準確的獲得直流電壓序列和交流電壓序列。首先進行系統初始化，模式為默認模式。測量血壓時如果血壓異常，則會出現報警提示，如果血壓正常，則保存數據，系統的整體實現框圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 總結

針對測量血壓不便的問題，本文提出了以LM3S1138為主控制器，進行數模轉換，設計了示波法測量血壓的系統。該系統包括氣動電路和液晶顯示兩部分。該血壓計簡便易攜，并且操作很簡單，適合各個階段的人群使用，特別是對于行動不便的老年人，在家就能夠測量血壓。血壓作為人體生命的主要參數之一，一直是臨床醫學所關心的主要指標。

通過分析測量血壓的原理以及現有的測量血壓的方法，本文設計出了示波法測量血壓的設計，此設計克服了傳統血壓判定方法，能夠更加準確測量血壓，具有重要的研究價值。

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