基于MSP430單片機的電子血壓計的設(shè)計

周昆鵬

（內(nèi)蒙古民族大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

血壓是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要的生理參數(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比例的提高，人們自我保健意識逐漸增強，醫(yī)療檢測設(shè)備的家庭化逐漸成為了趨勢，其中家用血壓計就是典型的家庭醫(yī)療檢測設(shè)備之一。電子血壓計具有低成本、小型化、自動化程度高等優(yōu)點，如今電子血壓計在使用上有便攜和易操作的特點，作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞[1]。

以往的電子血壓計一般采用傳統(tǒng)的單片機進行控制，電路比較復(fù)雜，功耗較高，大多在放氣過程中測量血壓，穩(wěn)定性不好。文中提出的基于MSP430超低功耗單片機的電子血壓計在充氣過程中來完成血壓的測量，比基于傳統(tǒng)單片機的電子血壓計有更高的穩(wěn)定性和精度、更低的功耗，而且設(shè)計周期短、操作更加靈活。

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）推出的一種16位超低功耗、具有精簡指令集 （RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應(yīng)用需求，將多個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芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中[2]。

1 人體血壓測量原理

1.1 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。示波法目前在血壓測量占據(jù)了主要地位，它的測量原理和柯氏音法有相似之處，傳統(tǒng)的電子血壓計均是在放氣過程中測量血壓的，而本文設(shè)計所采用的是基于充氣的示波法，該方法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擴展，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)細小的振蕩波；當(dāng)袖帶靜壓等于平均壓時，波幅達到最大值；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。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。它是將脈搏波振動信號的幅值與信號的最大幅值相比進行歸一化處理，通過確定收縮壓和舒張壓的歸一化系數(shù)來識別收縮壓與舒張壓的方法[3]。文中就采用該方法來測量血壓。

圖1 基于充氣的示波法測量原理Fig.1 Oscillometricmethod measuring principle diagram based on inflated

1.2 心率計算

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 電子血壓計系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 總體硬件電路設(shè)計

電子血壓計系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Diagram of the overall structure of the system

2.2 壓力測量電路

2.2.1 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。該傳感器的壓敏電阻采用離子注入工藝光刻在單個硅膜片上，同時采用先進的激光修正技術(shù)和溫度補償技術(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)置運算放大器，使得其模擬輸出電壓正比于所測得的壓力值和其正常工作的偏置電壓，使具有信號調(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0.2～4.7V的電信號，對應(yīng)的血壓值為0～375mmHg，與血壓計的設(shè)計要求非常匹配。并且可以直接與A/D轉(zhuǎn)換器接口，以便進行數(shù)字化處理[4]。由于MPXV5050GP具有上述特點，因而由該壓力傳感器構(gòu)成的電子血壓計測量系統(tǒng)具有電路簡單、性能穩(wěn)定、使用方便的特點。

2.2.2 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個部分，一部分直接送入MSP430單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，從而提取出靜壓力信號，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A/D轉(zhuǎn)換模塊。靜壓信號屬低頻信號，頻率小于等于0.04 Hz，脈搏波信號一般約為1 Hz左右。雖然所選的壓力傳感器有放大功能，但其對脈搏波振蕩信號的放大能力有限，因此傳感器輸出信號主要還是靜壓力信號。還將脈搏波信號經(jīng)過濾波、放大處理后，使其最大幅度盡量接近單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊的允許上限（這里采用單片機內(nèi)部2.5 V的參考電壓），這樣有助于提高采集數(shù)據(jù)的精度。

由于需要對靜壓信號和脈搏波信號分別進行A/D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95～140 mmHg 范圍內(nèi)，平均值為 110～120 mmHg，舒張壓為60～90mmHg，平均值為 80mmHg，考慮到高血壓等疾病情況，血壓計的測量范圍應(yīng)該在0～250mmHg內(nèi)，則對A/D轉(zhuǎn)換器的要求至少為8位（28=256）。MSP430單片機內(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200 kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

本系統(tǒng)設(shè)計了帶通濾波電路來截取脈搏波信號，如圖3所示。該帶通濾波器由一個高通濾波器和一個低通濾波器串聯(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中的干擾信號，而保留所需頻帶范圍內(nèi)的有用信號，以保證系統(tǒng)的測量精度，濾波器所用到的運算放大器采用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0.6～6.4 Hz。此濾波器是經(jīng)過簡化的，這樣做的目的是可以盡量減少對誤差的放大[5]。

圖3 信號濾波電路Fig.3 Signal filter amplifier circuit

經(jīng)過帶通濾波器輸出來的壓力信號就可以稱之為脈搏波信號了，但脈搏波信號的幅值較小，文中設(shè)計了一個增益可調(diào)的放大電路，通過這個放大電路，可以將所測得的脈搏波信號幅值調(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。

實驗表明，本濾波放大電路能夠很好地提取出脈搏波信號并提供給A/D進行轉(zhuǎn)換。

2.3 鍵盤電路與顯示電路

圖4 信號放大電路Fig.4 Signal amplification circuit

本系統(tǒng)用1個按鍵作為系統(tǒng)復(fù)位/喚醒開關(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，能顯示圖形以及中文，與微處理器接口方便。具有操作簡便，界面友好的特點。

2.4 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

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3.3 V，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5 V?？紤]到氣泵以及電磁閥在工作時耗電量較大，這里選用輸出電壓為5 V的微型蓄電池作為供電電源，它可以提供足夠強大的電流來驅(qū)動耗能器件正常工作，而且當(dāng)電池電量不足時還可以通過充電補充能量，這樣就減少了更換電池的麻煩。通過低功耗LDO芯片將5 V電壓降至3.3 V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經(jīng)過放大后是直接送至MSP430的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。MSP430的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用內(nèi)部2.5 V電壓作為參考電壓，因此在脈搏波信號經(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（2.5 V）。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件的工作流程設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件工作流程圖如圖5所示。當(dāng)用戶測量血壓時，按下“測量”按鍵，MSP430單片機發(fā)出控制信號給氣泵，開始加壓充氣，進行血壓的測量，并將測得的結(jié)果進行存儲和顯示。如果“查看”鍵按下，在有歷史記錄的情況下系統(tǒng)會執(zhí)行查看歷史記錄的程序，進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間，則單片機執(zhí)行休眠程序，系統(tǒng)進入低功耗模式，節(jié)省電池能量。在系統(tǒng)休眠狀態(tài)下，用戶只要按動復(fù)位按鍵，單片機就會被喚醒，進行按鍵的監(jiān)控。

3.2 血壓測量過程的軟件設(shè)計

測量血壓的工作流程圖如圖6所示。當(dāng)按下測量按鍵后，系統(tǒng)發(fā)出快速充氣命令對袖帶進行快速充氣。充氣的過程中，系統(tǒng)對靜壓力進行采集和顯示，并監(jiān)測脈搏波是否產(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機進行慢速充氣，調(diào)節(jié)PWM的占空比就可以改變對氣泵供電的平均電壓，從而動態(tài)調(diào)整氣泵充氣的速度。此時系統(tǒng)兩路A/D轉(zhuǎn)換模塊對袖帶靜壓力和被放大的脈搏波信號進行采集[6]。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Software flowchart of the system

來自壓力傳感器的血壓信號經(jīng)放大、濾波后送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后再送去執(zhí)行相應(yīng)的信號處理算法，計算出心率、收縮壓和舒張壓的值。單片機計算出測量值以后，保存本次測試結(jié)果至芯片內(nèi)部的Flash存儲器（寫Flash），并判斷測量結(jié)果是否在正常范圍，如果測量結(jié)果正常，則LCD顯示出所測的收縮壓、舒張壓和心率值并由單片機系統(tǒng)發(fā)出控制信號使電磁閥控制袖帶內(nèi)的氣體快速釋放。如果測量出的結(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行放氣，蜂鳴器也會發(fā)出報警聲音，同時LCD將顯示測量出錯的提示信息。

圖6 血壓測量的工作流程圖Fig.6 Software flowchart of the blood pressuremeasurement

3.3 查看歷史記錄操作

若用戶想查看歷史記錄，則按下“查看”按鍵，系統(tǒng)通過對按鍵的識別調(diào)用相應(yīng)的程序，讀取單片機內(nèi)部Flash存儲器中已存儲的歷史數(shù)據(jù)并顯示在LCD上，這樣可以回訪已測數(shù)據(jù)，查看用戶的歷史測量結(jié)果。如果用戶在查看歷史記錄時想刪除當(dāng)前的記錄，則只需按下“刪除”鍵即可實現(xiàn)刪除操作（擦除Flash存儲器中當(dāng)前存儲區(qū)的內(nèi)容）。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)位鍵系統(tǒng)即可回到初始化狀態(tài)等待新的操作信息。

3.4 低功耗設(shè)計

超低功耗是MSP430系列單片機的一大特色。MSP430系列單片機具有5種不同深度的低功耗休眠模式 （LPM0～LPM4）。在空閑時，通過不同程度的休眠，將內(nèi)部各個模塊盡可能的關(guān)閉，從而降低系統(tǒng)功耗[7]。

系統(tǒng)初始化后直接工作于LPM0，由任意按鍵中斷觸發(fā)到活動模式，中斷處理結(jié)束后進入到LPM3。本系統(tǒng)的休眠按鍵按下或等待時間超過1分鐘時，系統(tǒng)自動進入低功耗模式4。當(dāng)系統(tǒng)進入LPM4時，耗電量非常低，僅為0．1 A。只要任意中斷被響應(yīng)，系統(tǒng)又可以恢復(fù)活動模式繼續(xù)工作。

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行了測量，結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果對照表Tab.1 Table of test resu lts cross-references（單位：收縮壓、舒張壓 mmHg；心率 次/分）

從多組測量結(jié)果可以看出，雖然測量結(jié)果存在一定的誤差，但該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測量血壓，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也會存在一些小的差異，因此會存在一定的誤差。

5 結(jié)束語

文中所提出的電子血壓計設(shè)計方案采用超低功耗混合信號處理器，基于充氣測量的方法進行血壓的測量。具有操作簡潔方便、具有友好的人機界面、測量精度較高、個體適應(yīng)性強、功耗更低等優(yōu)點，而且由于采用充氣過程測量，放氣速度很快，因此縮短了測量時間，提高了用戶的測量舒適度，具有較高的實用價值。

[1]張曉芳．基于示波法的數(shù)字血壓計的硬件實現(xiàn)[J]．儀器儀表用戶，2006，4（13）：41-42．

ZHANG Xiao-fang．The design of blood-pressure meter in monitor with many parameters[J]．Electronic Instrumentation Uusers，2006，4（13）：41-42．

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[4]Motorola， Inc．MPX5050GP Semiconductor Technical Data Rev．3[S]．Motorola， Inc．1997．

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[6]唐志強．電子血壓計[J]．電子產(chǎn)品世界，2002（15）：63-64，37．

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