基于MN101EF32D單片機實現(xiàn)示波法測量血壓

　
　引言

　　水銀血壓計存在一些固有的缺點：一是放氣的快慢對讀數(shù)有直接影響，國際標準放氣速度為每秒3～5mmHg，而不同的醫(yī)生放氣有快有慢，會影響測量的準確度;二是這種方法以人的視覺、聽覺和協(xié)調(diào)程度為主要依據(jù)，很難標準化。為此，本設(shè)計從血壓的檢測方法著手，采用日本松下公司高速、低功耗的MN101EF32D單片機，作為血壓計測量、控制、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)顯示的核心，可準確地采用示波法(振蕩法)測量血壓。

　　工作原理

　　示波法(振蕩法)是根據(jù)袖帶在減壓過程中，其壓力振蕩波的振幅變化包絡線來判定血壓的。目前比較一致的看法是當袖帶壓力振蕩波的振幅最大時，袖帶的壓力就是動脈的平均壓。動脈的收縮壓對應于振幅包絡線的第一個拐點，舒張壓對應于包絡線的第二個拐點。

　　硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。壓力傳感器輸出的電壓信號首先通過低通濾波器濾波，之后由運放電路將信號轉(zhuǎn)化為適合單片機的輸入信號，最后將模擬的采樣信號經(jīng)過MN101EF32D單片機轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行數(shù)字濾波后分析，計算出人體血壓的兩個關(guān)鍵指標舒張壓和收縮壓，之后單片機立即將數(shù)據(jù)存儲到外部存儲器中，并將這些重要數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

　　傳感器介紹及其外圍電路的設(shè)計

　　該血壓計使用的傳感器為MPS-3100-006G壓阻式壓力傳感器，是由四個等值電阻組成的惠式電橋，其輸出電壓和輸入壓力成正比，理想狀態(tài)下當壓力輸入時，電阻值就跟著改變，但實際上溫度的改變也會影響其阻值輸出結(jié)果。另外，由于晶體和電路設(shè)計制作的誤差，加上封裝過程等方面的影響，零點偏移不是零。所以必須由外加元件來進行個別溫度補償電路校正。其重要指標如下：

　　a、傳感器測定范圍：5.8~15 PSIG

　　b、操作溫度范圍：?40~85 ℃

　　c、驅(qū)動電流：1.5~3mA

　　d、驅(qū)動電壓：5~15V

　　e、零點漂移：?25~25mV

　　f、電阻溫度系數(shù)為：0.2%/℃

　　因為血壓信號取自手臂，測量的信號容易受袖帶的位置、手臂的挪動而帶來的干擾。根據(jù)這些專業(yè)特點，要求系統(tǒng)具備高輸入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪聲以及低漂移等特征。如圖2所示，圖中的T1即為MPS-3100-006G壓阻式壓力傳感器。整個電路首先將壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后進行放大濾波。圖中U1、U2為有源運放LM324，它的輸入阻抗很高。壓力傳感器的信號通過放大后，并通過調(diào)節(jié)VR1的大小來改變運放的閉環(huán)增益，以調(diào)節(jié)為適應于A/D的電壓輸入范圍。U1運放回路用來測量袖帶中的壓力，測量的數(shù)據(jù)用來供MCU分析并控制對袖帶充氣和放氣的速度。另外U2運放回路是將通過C11電容隔直的交流信號放大，此回路測量的是人體的脈搏波。兩個回路的采集數(shù)據(jù)構(gòu)成了血壓計各個指標的重要計算參數(shù)。

　MN101EF32D是松下(Panasonic)公司于2008年初推出的產(chǎn)品，MN101Exx系列8位單片機復合了多功能的外圍功能，具有靈活而最優(yōu)化的硬件結(jié)構(gòu)，簡潔而高效的指令體系，充分實現(xiàn)經(jīng)濟性和高速性。

　　MN101E32D型單片機，內(nèi)置64KB Flash、4KB RAM，具備6個外部中斷、20個內(nèi)部中斷(包括NMI)、9個定時器計數(shù)器、3個串行接口、8路A/D轉(zhuǎn)換器、32×4段LCD驅(qū)動器、監(jiān)視定時器、單系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動傳送功能、同步輸出功能以及蜂鳴器輸出等外圍功能。最小指令執(zhí)行時間可達50ns，封裝為64引腳LQFP。本血壓計使用MN101EF32D的功能大致如下：

　　a、10位A/D采樣，用于靜態(tài)壓力及脈搏波的測量。

　　b、LCD顯示控制器，直接驅(qū)動23*4段的液晶顯示器，顯示測量的過程及結(jié)果。

　　c、定時器功能，用于定時A/D采樣數(shù)據(jù)并計算自動關(guān)機時間。

　　d、采用數(shù)字信號處理的技術(shù)對A/D采樣的信號進行處理，主要有數(shù)字低通濾波和相關(guān)的計算。

　　e、電源開啟采用硬件控制的方法，電源關(guān)閉采用軟件控制的方法，關(guān)機時除了穩(wěn)壓模塊外，其它芯片處于斷電狀態(tài)，功耗極低。

　　f、測量時可以選擇mmHg和Kpa作為主顯示方式，測量精度高，達到靜態(tài)1mmHg、動態(tài)3mmHg的測量精度。由于采用鐵電存儲器作為存儲媒介，數(shù)據(jù)的保存時間很長。

　　MN101EF32D與外部串行鐵電存儲器的硬件連接

　　在選擇外部存儲器時，由于考慮到要長期反復擦除、寫入所設(shè)置的工作參數(shù)和測量到的重要信息，并保存大量的歷史數(shù)據(jù)，因此必須使用容量較大的靜態(tài)存儲器，以便寫入盡可能多的數(shù)據(jù)信息并保證掉電后數(shù)據(jù)不丟失。由于EEPROM本身的設(shè)計工藝。壽命有限，而且寫入的時間較長，因此不適合用于電池供電的系統(tǒng)。血壓計需要保存的數(shù)據(jù)設(shè)計依次為收縮壓(2個字節(jié))、舒張壓(2個字節(jié))、平均壓(2個字節(jié))、脈搏(2個字節(jié))、每次記錄的時間(5個字節(jié))等，每次測量需要13字節(jié)存儲數(shù)據(jù)。假設(shè)每天測量4次，需要13×4=52字節(jié)，血壓計能夠保存7天的數(shù)據(jù)則需要364字節(jié)，故選用鐵電的24cL04。當打開血壓計使用的時候，單片機在其PA0口模擬出IIC總線的SCL，并輸入給外部存儲器24cL04的SCL引腳，同時PA1口與24cL04的SDA口進行數(shù)據(jù)交換，將有用的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

　　電源處理模塊及其相關(guān)電路設(shè)計

　　本血壓計選用2節(jié)7號電池作為電源的輸入。為了達到較好的供電質(zhì)量，在此電路中選擇了DC/DC升壓芯片RN5RK331A，將2節(jié)串聯(lián)的1.5伏7號電池構(gòu)成的3V左右的電壓升到3.3V，供給系統(tǒng)中的模擬電路電源，也作為數(shù)字電路的正電源供給MCU(如圖3所示)?？紤]到氣泵、氣閥如果與模擬電路、數(shù)字電路直接共用一個電源，會引入比較大的干擾，從而影響壓力傳感器、運放以及MCU的正常工作，所以設(shè)計成氣泵、氣閥不與其它器件接在一起，直接由電池供電。

　　另外，血壓計的重要采集數(shù)據(jù)通過運放放大的袖帶氣壓和隔直后的脈搏波，由于它們都是通過微小的信號放大后得到的，所以A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計也極為重要。系統(tǒng)采用智能充氣測量、自動降壓，在降壓的過程中進行測量。由于在氣閥工作降壓的時候，電源受到波動，如果用系統(tǒng)電源直接拿來作為A/D的參考電壓基準，必然會給測量帶來誤差。采用National Semiconductor的LM385作為A/D轉(zhuǎn)換的電壓基準連接到芯片的VREF+引腳，確保采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準確。

　　LCD顯示模塊的設(shè)計

　　如圖4、5所示，為了使用戶更為方便、簡單地使用本系統(tǒng)，采用LCD顯示。

　　松下的MN101EF32D芯片內(nèi)置了LCD驅(qū)動模塊，可以直接驅(qū)動LCD。先初始化LCD方式控制寄存器1(LCDMD)，它是8位寄存器，用來指定LCD時鐘、LCD顯示的ON/OFF、顯示占空比等。

軟件的主要流程如下：

　　上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化工作。單片機開始給氣泵供電，讓袖帶迅速充氣至被測者收縮壓以上約30mmHg左右。之后單片機通過1路A/D開始采集袖帶的氣壓，并根據(jù)袖帶內(nèi)氣壓下降的速度來控制排氣閥排氣，使袖帶內(nèi)勻速降壓(3~5mmHg /s)。與此同時，另外1路A/D開始采集經(jīng)過隔直的脈搏波。當脈搏波的振幅最大時，袖帶的壓力就是動脈的平均壓。動脈的收縮壓對應于振幅包絡線的第一個拐點，舒張壓對應于包絡線的第二個拐點。

　　軟件主要細分為以下3個重要模塊：

　　一)勻速降壓控制模塊

　　盡管氣閥有自動緩慢放氣的特點，但為了使袖帶迅速充氣至被測者收縮壓以上30mmHg左右后勻速降壓(3~5mmHg /s)，而不能用普通的處理方法，因為整個測量過程中容易受到外界震動的影響，如人為的震動袖帶、氣管的震動、人的身體運動等，另外氣管的剛性度也會影響到袖帶內(nèi)氣壓微弱的變化。所以袖帶內(nèi)的壓力降低的速度與氣閥開關(guān)的頻率為非線形關(guān)系。

　　本設(shè)計采用了PID算法來控制氣閥的開關(guān)時間來確保袖帶以3~5mmHg /s的速度勻速降壓。受到單片機的處理速度和RAM資源的限制，這里不采用浮點數(shù)運算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，最后再除以2N(相當于移位)，作類似定點數(shù)運算，可大大提高運算速度。最終賦值給定時器，來控制氣閥的開啟時間，從而保證降壓的速度恒定。

　　在PID算法中三個基本的參數(shù)Kp、Ki、Kd的設(shè)定與調(diào)整是比較難的部分，根據(jù)這些參數(shù)的作用原理，總結(jié)調(diào)整方法大致如下：

　　1、壓力很快就降到目標值，但壓力降的太多：

　　a)比例系數(shù)太大;

　　b)微分系數(shù)過小;

　　2、壓力下降達不到目標值：

　　a)比例系數(shù)過小;

　　b)積分系數(shù)過小;

　　3、基本上能夠控制在目標上，但上下偏差較大，且經(jīng)常波動

　　a)微分系數(shù)過小;

　　b)積分系數(shù)過大;

　　二)信號處理模塊

　　本血壓計測量信號為2路，MPS-3100-006G壓力傳感器的信號首先進行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號讀數(shù)的誤差，之后放大送AD1，作為靜態(tài)血壓信號;隔直后經(jīng)再次放大送AD2，作為脈搏波信號。由于MN101EF32D的A/D為10位，因此最高精度可達1/1024。為了最大限度地利用A/D轉(zhuǎn)換的采樣速度，用中斷來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。當A/D轉(zhuǎn)換完畢，在中斷程序中，用防脈沖干擾移動平均值法來實現(xiàn)簡單有效的數(shù)字濾波，使測量更加準確。具體做法為在一次定時中斷內(nèi)連續(xù)進行5次A/D轉(zhuǎn)換，去掉最大值和最小值，剩余3個數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值作為此次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　三)計算血壓模塊

　　袖帶氣壓和脈搏波經(jīng)信號處理模塊的處理后，得出如圖6所示的數(shù)據(jù)。圖中的下方為被測者的脈搏波，上方為血壓計升壓和壓降過程中的袖帶壓力。在此基礎(chǔ)上分析信號，供收縮壓、舒張壓、平均壓和心率的計算。單片機在測量過程中已經(jīng)存儲各個脈搏波的峰值，以及每個脈搏波的間隔時間。

　　收縮壓判據(jù)的確定采用最大振幅法，即在放氣過程中脈搏波幅度包絡線的上升段，當某一個脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um(平均壓)之比剛剛大于Ks時，就認為此時對應的氣袖壓力為收縮壓。

　　Ps=P/Ui=Ks*Um

　　舒張壓判據(jù)的確定也是用最大振幅法來判定的，不過是在脈搏波幅度包絡線的下降段，當某一個脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um(平均壓)之比剛剛小于Kd時，就認為此時對應的氣袖壓力為舒張壓。

　　Pd=P/Ui=Kd*Um

　　先用經(jīng)驗參數(shù)Ks = 0.54和Kd = 0.72來計算，經(jīng)測試后再進行修正。

　　心率即為脈搏波的周期，具體也為算術(shù)平均值做法。

　　結(jié)論

　　基于MN101EF32D單片機的血壓計，充分利用了該芯片本身的功能，具備電路簡單、功耗低、電源要求單一、精度高以及實用性強等特點，有著廣闊的市場前景。

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