基于可編程片上系統(tǒng)的智能電子血壓計

1、    基于可編程片上系統(tǒng)的智能電子血壓計        時間:2011年04月14日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:                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

2、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，人們自我保健意識逐漸增強(qiáng)，電子血壓計具有低成本、小型化、自動化程度高等優(yōu)點，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)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作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 人體血壓測量原理11血壓測量        血壓測量方法有很多，最常用的無創(chuàng)血壓測量方法為柯氏音法和示波法。本文設(shè)計所采用的是基于充氣的示波法。

3、基于示波法的充氣測量恰好是放氣測量的逆過程，如圖1所示，在壓力增加(充氣)過程中，檢測靜壓力和袖帶內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動。壓力較小時，在袖帶靜壓力小于舒張壓Pd之前，動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，動脈被壓閉，此時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，波幅達(dá)到最大值；振蕩波的包絡(luò)線所對應(yīng)的袖帶靜壓力就間接地反映了動脈血壓。          心率指心臟每分鐘搏動的次數(shù)，由于心臟與脈搏搏動一致，所以在測量血壓

4、的同時可以測得心率。心率的測定關(guān)鍵判斷脈搏波的峰值，然后根據(jù)在一定時間內(nèi)測定有多少個脈搏波，從而計算出心率。2 SOPC系統(tǒng)的硬件設(shè)計        SOPC系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。  21 SOPC系統(tǒng)電路        該部分電路由FPGA芯片、存儲器以及其他外圍元件組成，是信號處理的核心部分。由SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境構(gòu)建包括CPU、存儲器接口和IO外設(shè)的嵌入式微處理器系統(tǒng)。完成系統(tǒng)設(shè)計后，可以用SOPC Builder來生成系統(tǒng)。下圖為在SOPC B

5、uilder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)省出更多的空間來存儲測量結(jié)果。這時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詣酉螺d到SDRAM中運行。         圖4為由SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境生成的SOPC系統(tǒng)的頂層模塊圖。22

6、 壓力測量電路221 壓力傳感器選型        本設(shè)計的壓力傳感器選擇的是Motorola公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓力傳感器。其內(nèi)部含有信號運放，具有信號調(diào)節(jié)功能，有良好的線性度，可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0247V的電信號，對應(yīng)的血壓值為0375mmHg，與血壓計的設(shè)計要求非常匹配。222 驅(qū)動電路的設(shè)計23 傳感器輸出信號的提取        從壓力傳感器出來的信號是脈搏波的振蕩信號和靜壓力信號的混合信號，還夾雜著來自外界的高頻干擾、直流或低頻分量。我們將混合信號分為兩

7、個部分，一部分經(jīng)過低通濾波器后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，從而提取出袖帶壓信號，另一部分則通過帶通濾波、放大電路，得到放大的脈搏波數(shù)據(jù)后再送入AD轉(zhuǎn)換模塊。信號提取部分的具體電路如圖6所示。        這里采用截止頻率為048Hz的二階低通巴特沃斯濾波器，將低通濾波器增益設(shè)為1，這樣做可以盡量減少誤差的放大。采用具有信號放大能力的有源濾波器對脈搏波信號的提取，通帶頻率范圍設(shè)計為04848Hz。脈搏波信號放大濾波后，要使其最大幅度盡量接近AD轉(zhuǎn)換模塊的允許上限，這樣有助于提高采集數(shù)據(jù)的精度。        

8、由于需要對靜壓信號和脈搏波信號分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，因此需要兩個采樣通道。人體的臂動脈血壓，收縮壓一般在95140mmHg范圍內(nèi)，平均值為 110120mmHg，舒張壓為6090mmHg，平均值為80mmHg，考慮到高血壓等疾病情況，血壓計的測量范圍應(yīng)該在0250mmHg內(nèi)，則對AD轉(zhuǎn)換器的要求至少為8位(28=256)。24 鍵盤電路與顯示電路        本系統(tǒng)用1個按鍵作為系統(tǒng)復(fù)位開關(guān)，5個按鍵作為系統(tǒng)操作鍵盤，分別完成測量血壓、查看記錄、上翻記錄、下翻記錄和刪除記錄的功能。顯示部分采用的是128×64點陣LCD顯示器，具有操作簡

9、便，界面友好的特點。3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計        本系統(tǒng)的軟件工作流程框圖如圖7所示。其中信號處理算法部分主要是對采樣的脈搏信號進(jìn)行處理，包括采用數(shù)字濾波算法對各種干擾噪聲信號進(jìn)行識別與去除，改善脈搏波的包絡(luò)線等，以提高電子血壓計在測量血壓時的抗干擾能力與測量精度。        當(dāng)用戶測量血壓時，按下“測量”按鍵，SOPC系統(tǒng)發(fā)出控制信號給氣泵，開始加壓充氣。充氣的過程中，來自壓力傳感器的血壓信號經(jīng)放大、濾波后送入AD 轉(zhuǎn)換模塊，信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入SOPC系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的信號處理算法，計

10、算出心率、收縮壓和舒張壓的值。SOPC計算出測量值以后，保存本次測試結(jié)果至 Flash芯片(寫Flash)，如果測量結(jié)果正常，則LCD顯示出所測的數(shù)據(jù)并執(zhí)行快速放氣操作；如果測量出的結(jié)果超出正常范圍，則顯示相應(yīng)提示信息，同時發(fā)出警報聲音和放氣控制信號。如果在測量過程中出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)將停止充氣并啟動電磁閥進(jìn)行放氣，蜂鳴器也會發(fā)出報警聲音，同時顯示測量出錯的提示信息。        用戶可按下相應(yīng)按鍵來完成“查看”(讀Flash芯片)、“刪除”(擦除Flash芯片中當(dāng)前存儲區(qū)的內(nèi)容)等功能。若用戶想退出當(dāng)前操作或者是測量過程中出現(xiàn)錯誤，直接按下復(fù)位

11、鍵系統(tǒng)即可回到初始化狀態(tài)等待新的操作信息。4 測量結(jié)果對比與分析        為了檢驗本設(shè)計的測量結(jié)果，我們將此電子血壓計與市面上評價比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計分別對不同的個體進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1所示：        從多組測量結(jié)果的對比可以看出，雖然測量結(jié)果存在一定的誤差，但本血壓計對不同的測量者具有良好的個體適應(yīng)性。與歐姆龍電子血壓計相比，本血壓計測得的血壓結(jié)果略有偏大，這是因為電子血壓計采用基于充氣過程的示波法，特征點的確定只能依賴采集樣本的統(tǒng)計歸納，有一定的離散性，此外，在測量過程中，壓力傳感器輸出信號以及放大、濾波等電路的輸出信號都可能與真實值之間存在一些小的差異