淺談關于數(shù)字化血壓監(jiān)護儀參考設計

血壓監(jiān)護儀簡介

血壓監(jiān)護儀是當血液被泵離心臟時用來測量動脈壓力的設備。其組成部分包括：電源、電機、存儲器、壓力傳感器和用戶接口(包括顯示屏、小鍵盤或觸摸板、發(fā)聲裝置以及可選的USB或ZigBee通訊接口)等。圖1所示為飛思卡爾的血壓監(jiān)護儀參考設計RDQE128BPM。

圖1 血壓監(jiān)護儀參考設計RDQE128BPM

如何進行血壓測量

當包裹著患者手臂周圍的袖套被慢慢放走時，袖套中壓力的小變化可以被察覺。這些壓力的波動由患者的心律周期產(chǎn)生，接著它通過一個1Hz的高通濾波后被放大和偏移，產(chǎn)生血壓曲線。如圖2所示。這個新信號就是心跳信號。

使用前面所述心跳檢測方法，可以通過簡單的示波計法來測量血管收縮壓(SBP)和血管舒張壓(DBP)，這種方法被大多數(shù)自動非介入式血壓監(jiān)護設備所采用。當袖套被充氣至收縮壓以上，然后緩慢放氣時，袖套中壓力變化的幅度被測量。當壓力低于血管的收縮壓時，這一幅度會突然增加。當袖套中壓力進一步下降時，該脈沖幅度達到最大值并快速減小。舒張壓是在這一快速變化的開始時被獲得的。因此SBP和DBP是通過定義脈沖幅度的快速上升區(qū)域(SBP)和下降區(qū)域(DBP)來獲得的。平均動脈血壓(MAP)就在最大幅度處。

測量SBP和DBP能幫助診斷通常的高血壓，但是僅僅靠臨床監(jiān)護不能區(qū)分兩種通常類型的高血壓。

原發(fā)性高血壓

原發(fā)性高血壓是沒有明確的原因或可被糾正的原因而引起的高血壓。對原發(fā)性高血壓的判斷是收縮壓持續(xù)高于140mmHg或舒張壓持續(xù)高于90mmHg。

白大褂高血壓

白大褂高血壓是指僅當處在不同于一般家庭環(huán)境的高度壓力的環(huán)境中而顯現(xiàn)的高血壓癥狀，如在診所或醫(yī)生辦公室引發(fā)的高血壓癥狀?；加邪状蠊痈哐獕旱娜嗽谠\所環(huán)境下測量的血壓讀數(shù)偏高，但是離開診所后血壓讀數(shù)就恢復正常了。白大褂高血壓可能被誤診為原發(fā)性高血壓，這導致了不必要的治療和額外保險費用的增加。為此，醫(yī)學專家們通常建議在家進行幾周的測量以確定診斷結果。因此，便攜式、易于使用的血壓計在家庭里變得普及。

模數(shù)轉換精度

如圖1所示，微控制器(MCU)和壓力傳感器是血壓計的核心技術。RDQE128BPM參考設計也說明了在這一應用中最重要的是MCU模塊上的ADC。飛思卡爾控制器片上的ADC模塊是逐次逼近型ADC，包含用于獲取輸入電壓的采樣鎖存電路、一個比較器、一個逐次逼近型寄存器子電路和一個內(nèi)部參照電壓電容式DAC。

血壓監(jiān)護儀需要測量很小的信號，因此ADC分辨率通常是一個關鍵參數(shù)，如10位，12位或16位分辨率，這也是為應用設計選擇MCU的重要因素。同樣重要的還有ADC的精度。所有的ADC有其固有的不準確性，因為他們通過離散的步驟(量化)來數(shù)字化信號。因此，數(shù)字輸出不能完美地反映模擬輸入信號。例如，一個12位的轉換器將為一個最大5V的輸入電壓 提供1.22mV最低有效位(LSB)。因此，ADC僅能將數(shù)值數(shù)字化到1.22mV的倍數(shù)。在這個例子中，它表明最佳測量永遠不能比±0.5個最低有效位LSB(±610µV)更為精確。

不幸的是，一些其他嵌入式ADC特性引入了誤差并降低了其精度，這些特性包括偏移、溫度漂移和非線性等。一些ADC如Flexis產(chǎn)品使用的16位ADC具有通過校準減小偏移和增益誤差的能力。ADC通道上的片上溫度傳感器可使溫度補償?shù)靡跃唧w化。

ADC的有效比特位(ENOB)是分辨率和精度的真實指標。這個數(shù)值表明了在一個特定系統(tǒng)中有多少比特提供了準確信息。它可以通過下面的公式計算：

ENOB=(SNR-1.76dB)/6.02dB

這里， SNR(信噪比)是有意義信息(信號)和背景噪音(噪音或誤差)之間的比率。信噪比值不僅受到ADC設計和芯片集成的影響，也受到印刷電路板(PCB)設計、布線和所選附加離散元器件的影響。一個大的信噪比值意味著更多的信號是數(shù)據(jù)并且誤差很小，這能改進當測量微伏級變化的信號時測量結果的精度。

提高精度

在ADC的輸入端增加少量受控的“抖動”噪聲信號(如0.5 LSB 高斯白噪聲)，能夠影響信號在最接近最小分辨率的一位上下變動，通過這種方法可避免再去四舍五入。轉換的最低有效位的狀態(tài)隨機在0~1之間抖動，而不是固定在一個數(shù)值上。通過引入微小噪聲，可擴展ADC能夠轉換信號的有效范圍，而不是簡單去除在這個低水平上的所有信號。同樣，這在整個范圍內(nèi)都引入了量化誤差。抖動僅僅增加了分辨率，改善了線性度，但是并沒有提高精度。然而，通過在信號里增加1~2位最低有效位的噪聲并且采用過采樣的技術可以提高精度。

過采樣是通過一個比Nyquist 采樣頻率顯著提高的采樣率來采集信號的過程。實際上，過采樣被用來獲取高分辨的ADC轉換器。例如，使用運行于256倍目標采樣率的12位轉換器就可進行16位轉換。對每一個附加分辨率位，信號必須過采樣4倍。因為現(xiàn)實世界的ADC不能進行不間斷的轉換，輸入值應當在轉換器進行轉換期間保持一定。

采樣和保持電路通過這種方法來完成這樣一個任務：用一個電容貯存輸入端的模擬電壓，并用一個電子開關來使電容從輸入端斷開。使用設置好最適合輸入信號的采樣和保持時間的ADC，對改進轉換結果的精度很有幫助。

將噪聲耦合和過采樣結合在一起能進一步改善精度。如圖3所示。這一技術通常被認為是過采樣和抽取濾波。頂部的曲線圖表示了ADC轉換器隨時間產(chǎn)生的結果，并且顯示了如果不采用附加噪聲，單獨使用過采樣會是怎樣的結果。通過增加1~2個LSB噪聲，如在底部垂直線表示的那樣，同時進行的采樣不會有同樣的結果。這個方法增加了信噪比并且提高了有效比特位。 通過在輸入信號處增加1~2個LSB噪聲和過采樣，結果被平均以后可以提供一個更精確的值。從ADC測量中獲得的平均數(shù)據(jù)，它使輸入信號中的毛刺變平，從而具有減小信號波動和噪聲的優(yōu)點。

還有四個可以管理的誤差來源：偏移、增益、漏電流和較小范圍的溫度。一些嵌入式MCU片上的ADC模塊，如新的Flexis產(chǎn)品上的16位ADC，具有硬件校準特性，能在代碼執(zhí)行期間反復進行校準。不具有硬件校準的嵌入式ADC模塊仍然能進行校準，但這必須在工廠中完成，或者有為產(chǎn)品設計的方案。

圖2 血壓測量中的血壓變化

圖3 噪聲耦合和過采樣結合進一步改善精度

校準是一個3步驟的過程：第一步配置ADC，第二步開始校準轉換并等待轉換完成，最后進行偏移和增益校準。

偏移和增益校準值能夠根據(jù)結果被減小或放大。這能在軟件或在一些已實現(xiàn)的ADC硬件中完成。

輸入的偏移是三個需要補償?shù)膩碓粗凶钊菀滋幚淼?。對一個單端輸入的轉換，輸入可以參考同樣的內(nèi)部電壓。這應當能產(chǎn)生一個零結果。如果結果不是零，這就是偏移值，它必須從ADC結果中減去。如果使用差分轉換模式，偏移值能夠通過在兩個輸入引腳上變換同樣的信號來找到。

一旦偏移值已知，ADC的增益能夠從滿量程誤差中找到。這是在最大量程的理想輸出值(如12位ADC中的0xFFF)與偏移值為零時實際輸出值之間的差值。

圖4 未校準量程與對應理想量程的偏移

圖4顯示了從接地到滿量程一個未校準的斜線對應理想斜線的偏移和增益被夸大的效果。在應用中取決于準確的ADC結果，在血壓監(jiān)護儀中，它被要求指示微小的讀數(shù)變化(µV)，校準應該經(jīng)常進行，至少在每個重起之后。如果一個硬件功能不存在，校準可以通過設計接地和VDD輸入到應用部分，在每次轉換后減去偏移并乘以計算的增益來獲得。

還有一種輸入誤差的來源，即輸入引腳上的漏電流會引起輸入端輸入電阻上的壓降。這一誤差可以是在這些電池電壓和溫度檢測電路中最低有效位的數(shù)十倍。最好的消除這一誤差的方法是在設計者的控制下減少模擬DC源電阻和任何形式的泄漏。

MCU芯片的溫度也可以對ADC結果有影響。然而，溫度是一個慢變因素。一個血壓監(jiān)護儀的常規(guī)的重復校準被設計在應用代碼中，這使用戶不用考慮理想條件，使溫度的影響最小。然而，在工廠中的完全校準(其結果貯存在存儲器的查詢表中)基本能夠消除溫度的影響。許多ADC具有片上溫度傳感器，它們可以用來監(jiān)控溫度，使調(diào)節(jié)可以進行。

非線性幾乎是一個無法被校準的因素，因為它通常是模塊設計中所固有的。在每個編碼轉換之間的電壓差應該等于1LSB。因此，非線性是指編碼步長的不規(guī)則間隔，它導致一些信號變形。

結語

飛思卡爾嵌入式控制器ADC具有高度集成的功能，從而使設計者能夠獲得高精度的測量。在最新的Flexis產(chǎn)品系列中的16位ADC能使開發(fā)者通過調(diào)節(jié)ADC的偏移和增益提高精度，而不增加系統(tǒng)硬件和軟件的要求。