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1、41电子技术设计与运用 Electronics Design intelligent; electronic blood pressure meter; oscillometric method0 引言 血压是反映心血管系统状态的重要生理参数，合适 的血压是维持人体正常新陈代谢的必要条件。随着人民生 活水平的不断提高以及城市老龄化程度的提高，人们自我 保健意识逐渐增强，电子血压计具有低成本、小型化、自 动化程度高等优点，如今已作为家庭必备的保健用品，倍 受人们的青睐。SOPC(可编程片上系统)是Altera公司提出 的一种灵活、高效的SOC解决方案。用可编程逻辑技术把 整个系统放到一块硅片上，
2、称作SOPC。它可以将MCU、 DSP和FPGA完美结合，有非常好的发展前景。1 人体血压测量原理 1.1 血压测量 血压测量方法有很多，最常用的无创血压测量方法 为柯氏音法和示波法。本文设计所采用的是基于充气的示 波法。基于示波法的充气测量恰好是放气测量的逆过程， 如图1所示，在压力增加(充气)过程中，检测静压力和袖 带内气体的振荡波，振荡波起源于血管壁的搏动。压力较 小时，在袖带静压力小于舒张压Pd之前，动脉管壁在舒 张期已充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的 水平。随着压力的增加，当袖带压力高于收缩压Ps时，动 脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波； 当袖带静压等于平
3、均压时，波幅达到最大值；振荡波的包 络线所对应的袖带静压力就间接地反映了动脉血压。图1 基于充气的示波法测量原理1.2 心率计算 心率指心脏每分钟搏动的次数，由于心脏与脉搏搏 动一致，所以在测量血压的同时可以测得心率。心率的 测定关键判断脉搏波的峰值，然后根据在一定时间内测 定有多少个脉搏波，从而计算出心率。2 SOPC系统的硬件设计 SOPC系统的硬件设计框图如图2所示。图2 基于SOPC的智能血压计系统基本功能框图 2.1 SOPC系统电路 该部分电路由FPGA芯片、存储器以及其他外围元件 组成，是信号处理的核心部分。由SOPC Builder硬件开 发环境构建包括CPU、存储器接口和I/
4、O外设的嵌入式微 处理器系统。完成系统设计后，可以用SOPC Builder来生 成系统。下图为在SOPC Builder中构建的系统内容配置。图3 SOPC系统的内容配置SOPC系统中添加了EPCS设备控制器核，这样做的目 的是做到充分利用系统资源，将FPGA的配置数据以及 Nios II的软件程序固化到EPCS芯片中，为Flash芯片节省 出更多的空间来存储测量结果。这时Nios II处理器的复位 地址要设置为EPCS控制器的基地址，当系统复位后固化 到EPCS芯片中的程序将自动下载到SDRAM中运行。 图4为由SOPC Builder硬件开发环境生成的SOPC系统 的顶层模块图。图4 S
5、OPC系统的顶层模块图 2.2 压力测量电路 2.2.1 压力传感器选型 本设计的压力传感器选择的是Motorola公司生产的 MPXV5050GP压力传感器。其内部含有信号运放，具有 信号调节功能，有良好的线性度，可以直接将动脉血液对 血管壁的压力转换为0.24.7V的电信号，对应的血压值 为0375mmHg，与血压计的设计要求非常匹配。 2.2.2 驱动电路的设计 控制气泵和电磁阀工作的信号是由FPGA发出的，气 泵需要的工作驱动电流为450mA，电磁阀为75mA，而 FPGA的数字I/O输出电流不能满足要求。因此，为给气泵 和电磁阀提供合适的驱动电流，采用达林顿管阵列 ULN2803驱动
6、电路来驱动气泵和电磁阀工作。ULN2803 可输出500mA的电流，分别利用ULN2803的第一路、第 二路来驱动电磁阀和气泵，第三路驱动一个LED用来指示 脉搏波信号。如图5所示。图5 气路驱动电路 2.3 传感器输出信号的提取 从压力传感器出来的信号是脉搏波的振荡信号和静 压力信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰、直 流或低频分量。我们将混合信号分为两个部分，一部分经过低通滤波器后进行A/D转换，从而提取出袖带压信号， 另一部分则通过带通滤波、放大电路，得到放大的脉搏 波数据后再送入A/D转换模块。信号提取部分的具体电路 如图6所示。图6 信号提取电路 这里采用截止频率为0.48Hz
7、的二阶低通巴特沃斯滤 波器，将低通滤波器增益设为1，这样做可以尽量减少误 差的放大。采用具有信号放大能力的有源滤波器对脉搏 波信号的提取，通带频率范围设计为0.484.8Hz。脉搏 波信号放大滤波后，要使其最大幅度尽量接近A/D转换模 块的允许上限，这样有助于提高采集数据的精度。 由于需要对静压信号和脉搏波信号分别进行A/D转 换，因此需要两个采样通道。人体的臂动脉血压，收缩压 一般在95140mmHg范围内，平均值为110120mmHg， 舒张压为6090mmHg，平均值为80mmHg，考虑到高血 压等疾病情况，血压计的测量范围应该在0250mmHg内， 则对A/D转换器的要求至少为8位(2
8、8256)。 2.4 键盘电路与显示电路 本系统用1个按键作为系统复位开关，5个按键作为 系统操作键盘，分别完成测量血压、查看记录、上翻记 录、下翻记录和删除记录的功能。显示部分采用的是12864 点阵LCD显示器，具有操作简便，界面友好的特点。3 系统软件流程设计 本系统的软件工作流程框图如图7所示。其中信号处 理算法部分主要是对采样的脉搏信号进行处理，包括采 用数字滤波算法对各种干扰噪声信号进行识别与去除， 改善脉搏波的包络线等，以提高电子血压计在测量血压 时的抗干扰能力与测量精度。 图7 系统软件流程框图(参见下页) 当用户测量血压时，按下“测量“按键，SOPC系统发 出控制信号给气泵，
9、开始加压充气。充气的过程中，来 自压力传感器的血压信号经放大、滤波后送入A/D转换模 块，信号经A/D转换后送入SOPC系统执行相应的信号处 理算法，计算出心率、收缩压和舒张压的值。SOPC计算 出测量值以后，保存本次测试结果至Flash芯片(写Flash)， 如果测量结果正常，则LCD显示出所测的数据并执行快 速放气操作；如果测量出的结果超出正常范围，则显示 相应提示信息，同时发出警报声音和放气控制信号。如 果在测量过程中出现错误，系统将停止充气并启动电磁 阀进行放气，蜂鸣器也会发出报警声音，同时显示测量出错的提示信息。41电子技术设计与运用 Electronics Design intel
10、ligent; electronic blood pressure meter; oscillometric method0 引言 血压是反映心血管系统状态的重要生理参数，合适 的血压是维持人体正常新陈代谢的必要条件。随着人民生 活水平的不断提高以及城市老龄化程度的提高，人们自我 保健意识逐渐增强，电子血压计具有低成本、小型化、自 动化程度高等优点，如今已作为家庭必备的保健用品，倍 受人们的青睐。SOPC(可编程片上系统)是Altera公司提出 的一种灵活、高效的SOC解决方案。用可编程逻辑技术把 整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。它可以将MCU、 DSP和FPGA完美结合，有非常好的发展
11、前景。1 人体血压测量原理 1.1 血压测量 血压测量方法有很多，最常用的无创血压测量方法 为柯氏音法和示波法。本文设计所采用的是基于充气的示 波法。基于示波法的充气测量恰好是放气测量的逆过程， 如图1所示，在压力增加(充气)过程中，检测静压力和袖 带内气体的振荡波，振荡波起源于血管壁的搏动。压力较 小时，在袖带静压力小于舒张压Pd之前，动脉管壁在舒 张期已充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的 水平。随着压力的增加，当袖带压力高于收缩压Ps时，动 脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波； 当袖带静压等于平均压时，波幅达到最大值；振荡波的包 络线所对应的袖带静压力就间接地反映了
12、动脉血压。图1 基于充气的示波法测量原理1.2 心率计算 心率指心脏每分钟搏动的次数，由于心脏与脉搏搏 动一致，所以在测量血压的同时可以测得心率。心率的 测定关键判断脉搏波的峰值，然后根据在一定时间内测 定有多少个脉搏波，从而计算出心率。2 SOPC系统的硬件设计 SOPC系统的硬件设计框图如图2所示。图2 基于SOPC的智能血压计系统基本功能框图 2.1 SOPC系统电路 该部分电路由FPGA芯片、存储器以及其他外围元件 组成，是信号处理的核心部分。由SOPC Builder硬件开 发环境构建包括CPU、存储器接口和I/O外设的嵌入式微 处理器系统。完成系统设计后，可以用SOPC Build
13、er来生 成系统。下图为在SOPC Builder中构建的系统内容配置。图3 SOPC系统的内容配置SOPC系统中添加了EPCS设备控制器核，这样做的目 的是做到充分利用系统资源，将FPGA的配置数据以及 Nios II的软件程序固化到EPCS芯片中，为Flash芯片节省 出更多的空间来存储测量结果。这时Nios II处理器的复位 地址要设置为EPCS控制器的基地址，当系统复位后固化 到EPCS芯片中的程序将自动下载到SDRAM中运行。 图4为由SOPC Builder硬件开发环境生成的SOPC系统 的顶层模块图。图4 SOPC系统的顶层模块图 2.2 压力测量电路 2.2.1 压力传感器选型
14、 本设计的压力传感器选择的是Motorola公司生产的 MPXV5050GP压力传感器。其内部含有信号运放，具有 信号调节功能，有良好的线性度，可以直接将动脉血液对 血管壁的压力转换为0.24.7V的电信号，对应的血压值 为0375mmHg，与血压计的设计要求非常匹配。 2.2.2 驱动电路的设计 控制气泵和电磁阀工作的信号是由FPGA发出的，气 泵需要的工作驱动电流为450mA，电磁阀为75mA，而 FPGA的数字I/O输出电流不能满足要求。因此，为给气泵 和电磁阀提供合适的驱动电流，采用达林顿管阵列 ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作。ULN2803 可输出500mA的电流，分别
15、利用ULN2803的第一路、第 二路来驱动电磁阀和气泵，第三路驱动一个LED用来指示 脉搏波信号。如图5所示。图5 气路驱动电路 2.3 传感器输出信号的提取 从压力传感器出来的信号是脉搏波的振荡信号和静 压力信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰、直 流或低频分量。我们将混合信号分为两个部分，一部分经过低通滤波器后进行A/D转换，从而提取出袖带压信号， 另一部分则通过带通滤波、放大电路，得到放大的脉搏 波数据后再送入A/D转换模块。信号提取部分的具体电路 如图6所示。图6 信号提取电路 这里采用截止频率为0.48Hz的二阶低通巴特沃斯滤 波器，将低通滤波器增益设为1，这样做可以尽量减少误
16、 差的放大。采用具有信号放大能力的有源滤波器对脉搏 波信号的提取，通带频率范围设计为0.484.8Hz。脉搏 波信号放大滤波后，要使其最大幅度尽量接近A/D转换模 块的允许上限，这样有助于提高采集数据的精度。 由于需要对静压信号和脉搏波信号分别进行A/D转 换，因此需要两个采样通道。人体的臂动脉血压，收缩压 一般在95140mmHg范围内，平均值为110120mmHg， 舒张压为6090mmHg，平均值为80mmHg，考虑到高血 压等疾病情况，血压计的测量范围应该在0250mmHg内， 则对A/D转换器的要求至少为8位(28256)。 2.4 键盘电路与显示电路 本系统用1个按键作为系统复位开关，5个按键作为 系统操作键盘，分别完成测量血压、查看记录、上翻记 录、下翻记录和删除记录的功能。显示部分采用的是12864 点阵LCD显示器，具有操作简便，界面友好的特点。3 系统软件流程设计 本系统的软件工作流程框图如图7所示。其中信号处 理算法部分主要是对采样的脉搏信号进行处理，包括采 用数字滤波算法对各种干扰噪声信号进行识别与去除， 改善脉搏波的
