基于msp430混合信號(hào)處理器的全自動(dòng)血壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于msp430混合信號(hào)處理器的全自動(dòng)血壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

血壓是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)。適當(dāng)?shù)难獕菏蔷S持人體正常新陳代謝的必要先決條件。隨著人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化比例的提高,人們自我保健意識(shí)逐漸增強(qiáng),醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備的家庭化逐漸成為了趨勢(shì),其中家用血壓計(jì)就是典型的家庭醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備之一。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),如今電子血壓計(jì)在使用上有便攜和易操作的特點(diǎn),作為家庭必備的保健用品,倍受人們的青睞。以往的電子血壓計(jì)一般采用傳統(tǒng)的單片機(jī)進(jìn)行控制,電路比較復(fù)雜,功耗較高,大多在放氣過程中測(cè)量血壓,穩(wěn)定性不好。文中提出的基于MSP430超低功耗單片機(jī)的電子血壓計(jì)在充氣過程中來完成血壓的測(cè)量,比基于傳統(tǒng)單片機(jī)的電子血壓計(jì)有更高的穩(wěn)定性和精度、更低的功耗,而且設(shè)計(jì)周期短、操作更加靈活。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)推出的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器(MixedSignalProcessor)。稱之為混合信號(hào)處理器,是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求,將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上,以提供“單片”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。1血壓測(cè)量的原理1.1幅值歸一化系數(shù)法血壓測(cè)量方法有很多,最常用的無創(chuàng)血壓測(cè)量方法為柯氏音法和示波法。示波法目前在血壓測(cè)量占據(jù)了主要地位,它的測(cè)量原理和柯氏音法有相似之處,傳統(tǒng)的電子血壓計(jì)均是在放氣過程中測(cè)量血壓的,而本文設(shè)計(jì)所采用的是基于充氣的示波法,該方法是放氣測(cè)量的逆過程,如圖1所示。在壓力增加(充氣)過程中,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。幅度系數(shù)法又稱歸一法,是示波法中判定收縮壓和舒張壓的一種常用方法。它是將脈搏波振動(dòng)信號(hào)的幅值與信號(hào)的最大幅值相比進(jìn)行歸一化處理,通過確定收縮壓和舒張壓的歸一化系數(shù)來識(shí)別收縮壓與舒張壓的方法。文中就采用該方法來測(cè)量血壓。1.2血壓和心率測(cè)定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血壓電子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1全球硬件電路設(shè)計(jì)電子血壓計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。2.2壓力檢測(cè)電路2.2.1度補(bǔ)償技術(shù)本設(shè)計(jì)的壓力傳感器選擇的是Motorola公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓力傳感器。該傳感器的壓敏電阻采用離子注入工藝光刻在單個(gè)硅膜片上,同時(shí)采用先進(jìn)的激光修正技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù),使得該傳感器的精度極高,具有廣泛的應(yīng)用范圍。MPXV5050GP壓力傳感器內(nèi)置運(yùn)算放大器,使得其模擬輸出電壓正比于所測(cè)得的壓力值和其正常工作的偏置電壓,使具有信號(hào)調(diào)節(jié)功能,有良好的線性度,可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0.2~4.7V的電信號(hào),對(duì)應(yīng)的血壓值為0~375mmHg,與血壓計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常匹配。并且可以直接與A/D轉(zhuǎn)換器接口,以便進(jìn)行數(shù)字化處理。由于MPXV5050GP具有上述特點(diǎn),因而由該壓力傳感器構(gòu)成的電子血壓計(jì)測(cè)量系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便的特點(diǎn)。2.2.2a/d轉(zhuǎn)換電路從壓力傳感器出來的信號(hào)是脈搏波的振蕩信號(hào)和靜壓力信號(hào)的混合信號(hào),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(hào)分為兩個(gè)部分,一部分直接送入MSP430單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,從而提取出靜壓力信號(hào),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A/D轉(zhuǎn)換模塊。靜壓信號(hào)屬低頻信號(hào),頻率小于等于0.04Hz,脈搏波信號(hào)一般約為1Hz左右。雖然所選的壓力傳感器有放大功能,但其對(duì)脈搏波振蕩信號(hào)的放大能力有限,因此傳感器輸出信號(hào)主要還是靜壓力信號(hào)。還將脈搏波信號(hào)經(jīng)過濾波、放大處理后,使其最大幅度盡量接近單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊的允許上限(這里采用單片機(jī)內(nèi)部2.5V的參考電壓),這樣有助于提高采集數(shù)據(jù)的精度。由于需要對(duì)靜壓信號(hào)和脈搏波信號(hào)分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,因此需要兩個(gè)采樣通道。人體的臂動(dòng)脈血壓,收縮壓一般在95~140mmHg范圍內(nèi),平均值為110~120mmHg,舒張壓為60~90mmHg,平均值為80mmHg,考慮到高血壓等疾病情況,血壓計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)該在0~250mmHg內(nèi),則對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求至少為8位(28=256)。MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶8路12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器,具有較高的轉(zhuǎn)換速率,最高可達(dá)200kbps,能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶通濾波電路來截取脈搏波信號(hào),如圖3所示。該帶通濾波器由一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器串聯(lián)組成,都選用二階有源濾波電路,這樣能更加有效的濾除壓力傳感器輸出信號(hào)中的干擾信號(hào),而保留所需頻帶范圍內(nèi)的有用信號(hào),以保證系統(tǒng)的測(cè)量精度,濾波器所用到的運(yùn)算放大器采用LM324芯片?？紤]到低血壓患者的血壓、心率比正常人低,又保證能濾除干擾分量,這里設(shè)定濾波器的頻率通帶范圍為0.6~6.4Hz。此濾波器是經(jīng)過簡(jiǎn)化的,這樣做的目的是可以盡量減少對(duì)誤差的放大。經(jīng)過帶通濾波器輸出來的壓力信號(hào)就可以稱之為脈搏波信號(hào)了,但脈搏波信號(hào)的幅值較小,文中設(shè)計(jì)了一個(gè)增益可調(diào)的放大電路,通過這個(gè)放大電路,可以將所測(cè)得的脈搏波信號(hào)幅值調(diào)整到盡量接近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的允許上限。該放大電路如圖4所示。實(shí)驗(yàn)表明,本濾波放大電路能夠很好地提取出脈搏波信號(hào)并提供給A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.3盤問系統(tǒng)功能本系統(tǒng)用1個(gè)按鍵作為系統(tǒng)復(fù)位/喚醒開關(guān),5個(gè)按鍵作為系統(tǒng)操作鍵盤,分別完成測(cè)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(diǎn)陣LCD顯示器,能顯示圖形以及中文,與微處理器接口方便。具有操作簡(jiǎn)便,界面友好的特點(diǎn)。2.4帶電源供電電源該系統(tǒng)涉及到兩種電源,一種是為MCU等低電壓工作的器件提供能量的電源,電壓值為3.3V,另一種為為外圍電路高電壓工作的器件提供能量的電源,電壓值為5V?？紤]到氣泵以及電磁閥在工作時(shí)耗電量較大,這里選用輸出電壓為5V的微型蓄電池作為供電電源,它可以提供足夠強(qiáng)大的電流來驅(qū)動(dòng)耗能器件正常工作,而且當(dāng)電池電量不足時(shí)還可以通過充電補(bǔ)充能量,這樣就減少了更換電池的麻煩。通過低功耗LDO芯片將5V電壓降至3.3V供MCU等低電壓工作的器件工作。需要注意的是在脈搏波信號(hào)經(jīng)過放大后是直接送至MSP430的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。MSP430的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用內(nèi)部2.5V電壓作為參考電壓,因此在脈搏波信號(hào)經(jīng)過放大后,其最大幅度應(yīng)盡量接近MSP430內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓允許上限(2.5V)。3管理系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)進(jìn)入低負(fù)荷模式本系統(tǒng)的軟件工作流程圖如圖5所示。當(dāng)用戶測(cè)量血壓時(shí),按下“測(cè)量”按鍵,MSP430單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給氣泵,開始加壓充氣,進(jìn)行血壓的測(cè)量,并將測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。如果“查看”鍵按下,在有歷史記錄的情況下系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行查看歷史記錄的程序,進(jìn)行歷史記錄的查看操作。如果系統(tǒng)上電后無任何按鍵被按下保持一定的時(shí)間,則單片機(jī)執(zhí)行休眠程序,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式,節(jié)省電池能量。在系統(tǒng)休眠狀態(tài)下,用戶只要按動(dòng)復(fù)位按鍵,單片機(jī)就會(huì)被喚醒,進(jìn)行按鍵的監(jiān)控。3.2a/d轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量血壓的工作流程圖如圖6所示。當(dāng)按下測(cè)量按鍵后,系統(tǒng)發(fā)出快速充氣命令對(duì)袖帶進(jìn)行快速充氣。充氣的過程中,系統(tǒng)對(duì)靜壓力進(jìn)行采集和顯示,并監(jiān)測(cè)脈搏波是否產(chǎn)生。一旦系統(tǒng)采集到脈搏波,則系統(tǒng)通過MSP430的PWM接口來控制氣泵的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行慢速充氣,調(diào)節(jié)PWM的占空比就可以改變對(duì)氣泵供電的平均電壓,從而動(dòng)態(tài)調(diào)整氣泵充氣的速度。此時(shí)系統(tǒng)兩路A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)袖帶靜壓力和被放大的脈搏波信號(hào)進(jìn)行采集。來自壓力傳感器的血壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波后送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊,信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后再送去執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)處理算法,計(jì)算出心率、收縮壓和舒張壓的值。單片機(jī)計(jì)算出測(cè)量值以后,保存本次測(cè)試結(jié)果至芯片內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器(寫Flash),并判斷測(cè)量結(jié)果是否在正常范圍,如果測(cè)量結(jié)果正常,則LCD顯示出所測(cè)的收縮壓、舒張壓和心率值并由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)使電磁閥控制袖帶內(nèi)的氣體快速釋放。如果測(cè)量出的結(jié)果超出正常范圍,則LCD顯示相應(yīng)提示信息,同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲音和放氣控制信號(hào)。如果在測(cè)量過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,系統(tǒng)將停止充氣并啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行放氣,蜂鳴器也會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音,同時(shí)LCD將顯示測(cè)量出錯(cuò)的提示信息。3.3存儲(chǔ)區(qū)的刪除若用戶想查看歷史記錄,則按下“查看”按鍵,系統(tǒng)通過對(duì)按鍵的識(shí)別調(diào)用相應(yīng)的程序,讀取單片機(jī)內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中已存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)并顯示在LCD上,這樣可以回訪已測(cè)數(shù)據(jù),查看用戶的歷史測(cè)量結(jié)果。如果用戶在查看歷史記錄時(shí)想刪除當(dāng)前的記錄,則只需按下“刪除”鍵即可實(shí)現(xiàn)刪除操作(擦除Flash存儲(chǔ)器中當(dāng)前存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容)。若用戶想退出當(dāng)前操作或者是測(cè)量過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,直接按下復(fù)位鍵系統(tǒng)即可回到初始化狀態(tài)等待新的操作信息。3.4系統(tǒng)能耗模式超低功耗是MSP430系列單片機(jī)的一大特色。MSP430系列單片機(jī)具有5種不同深度的低功耗休眠模式(LPM0~LPM4)。在空閑時(shí),通過不同程度的休眠,將內(nèi)部各個(gè)模塊盡可能的關(guān)閉,從而降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)初始化后直接工作于LPM0,由任意按鍵中斷觸發(fā)到活動(dòng)模式,中斷處理結(jié)束后進(jìn)入到LPM3。本系統(tǒng)的休眠按鍵按下或等待時(shí)間超過1分鐘時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式4。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入LPM4時(shí),耗電量非常低,僅為0.1A。只要任意中斷被響應(yīng),系統(tǒng)又可以恢復(fù)活動(dòng)模式繼續(xù)工作。4測(cè)量結(jié)果的個(gè)體適應(yīng)性為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果,我們將此電子血壓計(jì)與市面上評(píng)價(jià)比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計(jì)分別對(duì)不同的個(gè)體進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如表1所示。從多組測(cè)量結(jié)果可以看出,雖然測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差,但該血壓計(jì)對(duì)不同的測(cè)量者具有良好的個(gè)體適應(yīng)性。與歐姆龍電子血壓計(jì)相比,本血壓計(jì)測(cè)得的血壓結(jié)果略有偏大,這是因?yàn)殡娮友獕河?jì)采用基于充氣過程的示波法測(cè)量血壓,特征點(diǎn)的確定只能依賴采