基于STM32L的便攜式動態(tài)血壓監(jiān)測儀優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉夢星，周樂川，黃超，葉樹明，陳杭

1 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州市，310027

2 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術(shù)與藥效評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

基于STM32L的便攜式動態(tài)血壓監(jiān)測儀優(yōu)化設(shè)計(jì)

【作 者】劉夢星1,2,3，周樂川1,2,3，黃超1,2,3，葉樹明1,2,3，陳杭1,2,3

1 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州市，310027

2 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術(shù)與藥效評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32 bit超低功耗微控制器STM32L151RBT6，研制出由兩節(jié)5號電池供電的便攜式動態(tài)血壓監(jiān)測儀：提出運(yùn)用超級電容技術(shù)解決電源穩(wěn)定性問題，并設(shè)計(jì)新型安全邏輯電路來防止袖帶過壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該解決方案準(zhǔn)確穩(wěn)定且安全系數(shù)高，具有很強(qiáng)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

動態(tài)血壓監(jiān)測；便攜式醫(yī)療儀器；STM32L；超級電容；安全電路

0 引言

動態(tài)血壓監(jiān)測（Ambulatory Blood Pressure Monitoring，簡稱ABPM）能排除傳統(tǒng)血壓測量時(shí)的偶然性，避免因被測者情緒、運(yùn)動、進(jìn)食等因素而造成影響[1]，可以更客觀地評價(jià)患者24 h生活中的血壓變化水平，從而對慢性心血管疾病的早期確診和預(yù)防起到重要幫助。此外，臨床常通過動態(tài)血壓監(jiān)測，更加精確和個(gè)性化地對高血壓患者進(jìn)行藥效評估，從而指導(dǎo)給藥[2]。

區(qū)別于傳統(tǒng)血壓計(jì)，動態(tài)血壓監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)對功耗、體積重量、安全防護(hù)和運(yùn)動干擾等方面提出了新的要求。同時(shí)，降低儀器設(shè)計(jì)成本，有利于提高動態(tài)血壓監(jiān)測的普及度，進(jìn)而能積極推動社區(qū)醫(yī)療與家用醫(yī)療的進(jìn)程[3]。因此，緊密跟隨半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展步伐，研究和改進(jìn)動態(tài)血壓監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案，具有重要意義。

本文基于袖帶式示波法血壓測量原理[4]，圍繞儀器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，研制了基于新型32 bit超低功耗MCU的動態(tài)血壓監(jiān)測儀，整體解決方案具備低功耗、高穩(wěn)定性和安全系數(shù)高等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體方案

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware block diagram of this system

系統(tǒng)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)選用低功耗、高性價(jià)比的STM32L151RBT6作為監(jiān)測儀的主控制器。STM32L是由意法半導(dǎo)體推出的業(yè)界首款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32 bit超低功耗微控制器系列，其高集成度外設(shè)、高運(yùn)算效率和低成本優(yōu)勢，已超越16 bit超低功耗MCU，甚至在各模式的功耗水平上，也不遜色于16 bit系統(tǒng)。

基于該MCU，本系統(tǒng)在實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的定時(shí)觸發(fā)下，通過驅(qū)動電路控制泵閥啟停，從而對人體上臂袖帶進(jìn)行充放氣；主壓力傳感器輸出電信號，經(jīng)模擬電路濾波、放大后，利用STM32L內(nèi)部12 bit SAR型ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；經(jīng)32 bit處理器內(nèi)核計(jì)算得出血壓值，并將其與全過程壓力波形保存至外部Flash；按鍵、OLED顯示屏、蜂鳴器作為人機(jī)交互設(shè)備，24 h動態(tài)監(jiān)測結(jié)束后，可通過USB、藍(lán)牙或紅外通訊方式，讀取全程數(shù)據(jù)，從而利用上位機(jī)作進(jìn)一步分析、管理和報(bào)表。

2 儀器設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

2.1 模擬信號采集

示波法又稱壓力振蕩法，主要通過袖帶充氣阻斷人體上臂動脈血流，然后在勻速放氣過程中利用壓力傳感器提取脈搏波，進(jìn)一步計(jì)算血壓值。本系統(tǒng)選用MP3V5050GP型集成壓力傳感器，其特性如下：(2.7～3.3) V電源供電，壓力輸入范圍(0～50) kPa；片上全范圍溫度補(bǔ)償，精度、線性度與可靠性高。其電壓傳遞函數(shù)如(1)式所示，其中：VS為電源電壓，P為輸入壓力，VERROR為偏置誤差。

可見，在電源電壓恒定的條件下，壓力轉(zhuǎn)換的主要誤差由VERROR項(xiàng)引起。實(shí)際充氣過程中，可利用兩點(diǎn)求直線方法進(jìn)行函數(shù)標(biāo)定，確定當(dāng)前VERROR值，從而減小誤差，提高測量準(zhǔn)確度。

啟動測量后，STM32L通過內(nèi)部TIM定時(shí)器輸出PWM波，利用外部功率MOS管驅(qū)動泵閥，實(shí)現(xiàn)袖帶充放氣。在此過程中，壓力傳感器輸出對應(yīng)電壓值，經(jīng)圖2所示的模擬信號調(diào)理放大電路后，產(chǎn)生袖帶靜態(tài)壓力和脈搏波信號，輸入至片上ADC。

2.2 電源系統(tǒng)

圖2 模擬信號放大電路Fig.2 Analog signal amplifer circuit

電源結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)劣是決定儀器能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，與傳統(tǒng)血壓計(jì)不同，動態(tài)血壓監(jiān)測儀的電源設(shè)計(jì)格外講究：

(1) 醫(yī)院臨床為了提高診斷效率，往往要求動態(tài)監(jiān)測設(shè)備使用干電池供電，便于轉(zhuǎn)換就診對象[5]；

(2) 單個(gè)患者通常隨身攜帶該設(shè)備24 h以上，全程血壓測量超過50次[6]，減少電池?cái)?shù)量、充分利用電池低壓段的電量，有利于降低整機(jī)體積重量并延長測量次數(shù)。

如圖3所示，利用兩節(jié)5號電池給系統(tǒng)供電。選用額定電壓為3 V的低壓隔膜泵(平均工作電流約400 mA)、開關(guān)閥（常開，閉合電流約100 mA）和線性閥(工作電流約110 mA)，電池輸出電壓3 V-VBAT直接給開關(guān)閥供電，用于快速放氣與安全放氣；VBAT經(jīng)初級DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS61030升壓至4.2 V-MVCC，為泵和線性閥供電，該DC-DC轉(zhuǎn)換效率高、靜態(tài)功耗20 μA、1.8 V低電壓輸入條件下的最大輸出電流可達(dá)1 A，滿足系統(tǒng)功率要求。

圖3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Block diagram of power supply system

然而，如圖4所示：在泵閥啟動瞬間，系統(tǒng)功耗會高于1 A，干電池輸出功率有限，電池電壓瞬態(tài)下陷，造成MVCC短程降低，若MVCC直接耦合至線性穩(wěn)壓芯片的輸入端VCC，將引起3.3 V-DVCC瞬時(shí)掉電，造成單片機(jī)復(fù)位，影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作。隨著測量次數(shù)的積累，電池電壓逐漸降低，上述現(xiàn)象越來越明顯，倘若早期就利用電源監(jiān)測中止測量，將造成有效電量的不合理浪費(fèi)。

圖4 低壓啟動時(shí)的電源變化Fig.4 Change of power signals on low voltage startup

因此，提出使用超級電容器SC進(jìn)行局部儲能，在MVCC與VCC之間串聯(lián)充放電轉(zhuǎn)換電路。超級電容又稱電化學(xué)電容器，具有功率密度高、循環(huán)壽命長和充放電時(shí)間短等突出優(yōu)點(diǎn)[7-8]，恒流放電特性如圖5所示，設(shè)電容C=0.1 F，V0=4.1 V，V1=3.4 V，恒定電流I=20 mA，對超級電容放電時(shí)間估算：

其中RESR為超級電容等效串聯(lián)阻抗，忽略內(nèi)部損耗，得：

圖5 超級電容恒流放電曲線Fig.5 Constant current discharge of super-capacitor

在非功率啟動時(shí)期，MVCC經(jīng)D1與限流電阻R1對SC進(jìn)行快速充電，同時(shí)給系統(tǒng)供電；泵閥啟動或電源意外斷合瞬間（如儀器摔落、碰撞等），超級電容通過D2放電，可短時(shí)支撐數(shù)字系統(tǒng)穩(wěn)定工作數(shù)秒。

2.3 過壓安全防護(hù)

對于以微控制器為核心的數(shù)字式血壓測量系統(tǒng)，尤其針對完全自主測量的動態(tài)血壓監(jiān)測儀，電磁干擾、機(jī)械振動、元件老化等諸多不確定因素將影響充放氣控制，對設(shè)備的使用安全造成隱患。因此，必須額外設(shè)計(jì)完善的氣壓過充保護(hù)電路。

如圖6所示，過壓防護(hù)過程共經(jīng)歷3個(gè)步驟，任意環(huán)節(jié)發(fā)生異常，都將導(dǎo)致安全防護(hù)功能失效。因此，針對每一步，均設(shè)計(jì)了兩重保護(hù)措施，如圖7所示。若主壓力傳感器發(fā)生異常，可檢測副壓力傳感器，獲取當(dāng)前靜態(tài)壓力值；若線性閥（又稱比例閥）出現(xiàn)機(jī)械故障，安全閥將起到安全放氣的作用；然而，最易發(fā)生異常的當(dāng)屬中間的“邏輯控制”環(huán)節(jié)。

圖6 過壓防護(hù)過程Fig.6 The process of overpressure protection

圖7 過壓安全邏輯電路Fig.7 Safety logic circuits for overpressure protection

圖8 安全邏輯電路的工作流程圖Fig.8 Workfow charts of the safety logic circuits

結(jié)合圖7和8，可將“邏輯控制”分為3條并行安全反饋通路：

(1) MCU正常，定時(shí)喂狗，利用兩路AD監(jiān)視袖帶靜態(tài)壓力，若到達(dá)充氣閾值(PD，單位mmHg)，則直接控制泵閥放氣。

(2) MCU異常(主要為程序跑飛、內(nèi)核異常等)，看門狗發(fā)出“叫聲”，清零D觸發(fā)器，與門輸出低電平，關(guān)閉總控制開關(guān)。

(3) MCU異常(ADC模塊或控制泵閥的IO管腳出現(xiàn)異常)，壓力超過參考閾值(REF)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而泵閥斷電。

3 實(shí)驗(yàn)及討論

3.1 電源監(jiān)測

結(jié)合圖3和9，分析超級電容改善電源穩(wěn)定性的實(shí)際效果。實(shí)驗(yàn)條件：電池電壓2.6 V，升壓至MVCC為4.2 V；STM32L輸出60%占空比驅(qū)動泵閥，其等效工作電壓約2.5 V；MVCC利用低壓差LDO穩(wěn)定DVCC至3.3 V。

分別放置470 μF和1 500 μF電解電容至SC位置，如圖9(a)和9(b)所示，隨著電容局部補(bǔ)償功率的提高，在泵閥啟動瞬間，因電池輸出功率不足導(dǎo)致的DVCC下跌現(xiàn)象有所緩解。然而，一般電解電容漏電大、功率密度低、體積大等弊端，限制了儀器的便攜性，因此，使用ELNA的0.1F超級電容(12 mm×6 mm×5 mm)，由圖9(c)可見：超級電容在泵閥啟動瞬間，等效充當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)的備用電源，MVCC快速恢復(fù)，DVCC平穩(wěn)工作，消除了系統(tǒng)復(fù)位風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 不同電容補(bǔ)償下的電源監(jiān)測信號Fig.9 Power signals under different capacitors

此外，利用該電源方案，在24 h監(jiān)測過程中，儀器意外碰撞、內(nèi)部接插件松動等常見故障出現(xiàn)時(shí)，都幾乎不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 安全仿真測試

實(shí)際工作中，造成儀器發(fā)生異常的因素具有不確定性。因此，針對安全邏輯電路，可通過軟硬件模擬仿真的辦法，驗(yàn)證其有效性與可靠性。

結(jié)合圖8所示，設(shè)計(jì)3項(xiàng)嵌入式軟件測試用例，分別做300次重復(fù)試驗(yàn)，記錄安全放氣的次數(shù)。表1測試結(jié)果表明，安全邏輯電路簡單可靠，能有效實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。

表1 安全邏輯電路測試Tab.1 Tests of the safety logic circuits

3.3 工程樣機(jī)

圖10 樣機(jī)實(shí)物及其測試散點(diǎn)圖Fig.10 Physical prototype & its test scatter diagram

如圖10所示，為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的工程樣機(jī)實(shí)物，儀器內(nèi)置血壓測量算法，以FLUKE?BP Pump2模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)被測對象，設(shè)置4組不同的收縮壓（SBP）和舒張壓(DBP)，記為(SBP，DBP)：(80，50)、(100，65)、(120，80)、(150，100)，單位mmHg (1 mmHg=133.32 Pa)。每組實(shí)驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測24 h，每隔30 min定時(shí)測量，實(shí)時(shí)計(jì)算收縮壓、舒張壓及心率值，并將結(jié)果與波形數(shù)據(jù)保存至外擴(kuò)Flash中。散點(diǎn)圖可見：測量結(jié)果的誤差范圍在±3 mmHg內(nèi)，滿足美國醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)展協(xié)會（AAMI）的±5 mmHg標(biāo)準(zhǔn)[9]。

3.4 同類儀器比較

表2將本儀器與國外典型產(chǎn)品作對比，顯然：本設(shè)計(jì)在使用2節(jié)5號電池供電的條件下，有效測量次數(shù)可達(dá)300次以上，即功耗、體積和重量等指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢；測量準(zhǔn)確度相當(dāng)。

此外，本儀器利用獨(dú)立看門狗與D觸發(fā)器相結(jié)合的安全邏輯組合，擴(kuò)充副壓力傳感器與安全閥，相比其它儀器的雙CPU等方案，具有低成本、生產(chǎn)調(diào)試便捷等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

表2 同類儀器比較Tab.2 Comparison of similar instruments

本文提出以ARM公司低成本、高能效Cortex-M3內(nèi)核的32 bit微控制器STM32L151RBT6為基礎(chǔ)；利用超級電容局部儲能，在泵閥啟動瞬間，抑制數(shù)字系統(tǒng)電源跌落現(xiàn)象；通過外擴(kuò)邏輯控制電路來增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該解決方案優(yōu)化后的儀器，在性能指標(biāo)上，毫不落后于國外知名產(chǎn)品，進(jìn)而更好地滿足了臨床日益增長的使用需求。

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Optimal Design of Portable Ambulatory Blood Pressure Monitor Based on STM32L

【W(wǎng)riters】Liu Mengxing1,2,3, Zhou Lechuan1,2,3, Huang Chao1,2,3, Ye Shuming1,2,3, Chen Hang1,2,3
1 College of Biomedical Engineering & Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Key lab of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
3 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal, Hangzhou, 310027

ambulatory blood pressure monitoring, portable medical instrument, STM32L, super-capacitor, safety circuit

TH772

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.009

1671-7104(2014)05-0345-05

2014-01-23

劉夢星，E-mail: mason_liu_bme@163.com

葉樹明，副教授，E-mail: ysmln@vip.sina.com

【 Abstract 】Based on the 32-bit ultra low power microcontroller STM32L151RBT6 using ARM Cortex-M3 kernel, the portable ambulatory blood pressure monitor powered by two AA batteries was designed. In order to insure the stability of power supply and prevent overpressure of cuff, super capacitor technology and new kind of safety logic circuits were used. The experimental result shows that: this solution is accurate and stable, which has high safety coeffcient and a great clinical application value.