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(chēng)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。