血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的電路分析和印刷電路板設(shè)計(jì)

溫家寶，劉 悅，張金玲，舒 磊，楊歡歡

（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876）

引言

血壓是人體重要的生理指標(biāo)之一，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。同時(shí)，血壓的高低也反映了人體心臟和血管的功能狀況。血壓監(jiān)測(cè)對(duì)防病治病及早發(fā)現(xiàn)疾病都具有重要意義。另外，臨床上還常需要對(duì)危重病人和手術(shù)中的病人實(shí)行血壓的連續(xù)監(jiān)護(hù)，以防病人出現(xiàn)意外，也便于醫(yī)護(hù)人員及時(shí)采取措施。電子血壓計(jì)具有易于攜帶操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。因此電子血壓計(jì)在人們的生活中得到廣泛的應(yīng)用。

我們?cè)O(shè)計(jì)的電子血壓計(jì)采用示波器法，示波法測(cè)量原理是用充氣袖袋阻斷動(dòng)脈血流，在放氣過(guò)程中檢測(cè)袖袋內(nèi)氣體的振蕩波。振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng)，當(dāng)袖袋內(nèi)壓(靜壓)大于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈被關(guān)閉，此時(shí)因近端脈搏的沖擊而呈細(xì)小的振蕩波；靜壓小于收縮壓時(shí)，則波幅增大；靜壓等于平均動(dòng)脈壓時(shí)，動(dòng)脈壁處于去負(fù)荷狀態(tài)，波幅達(dá)到最大值；靜壓小于平均動(dòng)脈壓時(shí)，則波幅逐漸減??；靜壓小于舒張壓以后，動(dòng)脈管腔在舒張期已充分?jǐn)U張，管壁剛性增加，因而波幅維持較小的水平。

1 壓信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 增益

因?yàn)槲覀冞x擇的MSP430 單片機(jī)的A/D 參考電壓為0～3V,傳感器的信號(hào)電壓在0～75MV,因此我們需要設(shè)計(jì)前端放大電路對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大以滿足單片機(jī)A/D 采樣信號(hào)的需要。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了抑制電路信號(hào)的零點(diǎn)漂移，進(jìn)一步提高共模抑制比，我們采用了差分放大電路。

1.2 頻率響應(yīng)

傳感器信號(hào)包括袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào)。它們不是簡(jiǎn)單疊加在一起的，其中還夾雜著高頻干擾和一些低頻分量，我們所需要的脈搏波信號(hào)的頻率范圍是在0.6～6.4Hz，為此需要設(shè)計(jì)0.6～6.4Hz 的帶通濾波器來(lái)獲得脈搏波信號(hào)。

2 前端放大電路

2.1 放大電路放大器的選型

放大電路的放大器我們選用常見的LM324，LM324系列由四個(gè)獨(dú)立的具有高增益和內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器組成，應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.2 放大電路分析

前端放大電路如圖2 所示，采用差分放大來(lái)抑制電路信號(hào)的零點(diǎn)漂移，進(jìn)一步提高共模抑制比。圖2 可以分為驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、減法器電路3 塊區(qū)域進(jìn)行分析說(shuō)明。

由R1，R2，R3 和OP1 所組成的定電流源。I3 是驅(qū)動(dòng)Sensor 的電流，供給OP1 電源為6v，供給Sensor電流為0.8mA。這樣可以保證0mmHg 時(shí)模擬輸出時(shí)0V,300mmHg 時(shí)是3V。I3 的值由公式（1）得到

放大電路由RA,RB,R4,R5,Rvr1，OP2,OP3,OP4 組成，將Sensor 信號(hào)加以放大。（Vin2-Vin1）為Sensor 輸入電壓,由公式（2）可以得到OP4 的輸出電壓V01。

圖1 LM324 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

減法電路由R6，R7，R8，R9，Rvr2，OP5 組成，它的作用是將放大得到的信號(hào)調(diào)整到所需要的電壓值。Vout 的計(jì)算公式如下

3 濾波電路

壓力傳感器信號(hào)有袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào),其中還夾雜著來(lái)自外界的高頻干擾和低頻分量,既包含高頻干擾又包含低頻干擾,而我們需要的脈搏波信號(hào)頻率范圍為0.6～6.4Hz，因此設(shè)計(jì)通帶頻率為0.6～6.4Hz 的帶通濾波器來(lái)獲取脈搏波信號(hào)是必需的。

帶通濾波器如圖3 所示。其頻率特性如圖4 所示，利用帶寬函數(shù)分別求得濾波電路的3dB 帶寬，高通截止頻率和低通截止頻率如圖5 所示。

從頻率測(cè)量值可知，該帶通濾波器的帶寬是5.95Hz，頻率范圍是0.45～6.4Hz，滿足應(yīng)用要求。

圖2 前端放大電路圖

圖3 帶通濾波器電路圖

4 印刷電路板分析

4.1 PCB 板的布局

根據(jù)“先大后小，先難后易”的布局原則，單元電路、核心電路應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局。因此將模擬電路模塊的3個(gè)LM324 放大器“對(duì)稱式”布局，并在Y 軸方向上放置。

MAX232 去耦電容的布局要盡量靠近芯片的電源引腳，并使之與電源和地之間形成的回路最短。這樣可以更好的濾掉電源信號(hào)噪聲。如圖6 所示。

本系統(tǒng)需要用到3.3v 和5v 兩個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)，在布局的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮把同一個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)的器件盡量放在一起，以便于進(jìn)行電源分割。

4.2 PCB 板的布線

圖4 濾波電路的頻率響應(yīng)

圖5 3dB 帶寬

圖6 MAX232

由于脈搏波信號(hào)和袖帶壓信號(hào)屬于微弱的信號(hào)，且為了避免兩個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_，在電路布線的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)避免這兩個(gè)信號(hào)線平行走線，信號(hào)線之間的間距滿足3W 原則。并且同一個(gè)信號(hào)的線寬盡可能的保持一致，走線選擇最佳路徑。這樣可以降低信號(hào)的損耗。

為了避免不同的信號(hào)線在相鄰層走成同一方向形成層間的串?dāng)_。在血壓檢測(cè)系統(tǒng)PCB 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，top層和bottom 層的走線應(yīng)當(dāng)走成正交結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

本文對(duì)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路進(jìn)行了分析，并用PSpice仿真軟件驗(yàn)證了濾波電路設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)分析了血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PCB 板可能存在的電磁兼容問(wèn)題，設(shè)計(jì)出合理的電路板如圖7 所示。

圖7 血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PCB 版圖

[1]楊曉慧 .電子技術(shù)EDA 實(shí)踐教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[2]李東生 .信號(hào)與電子系統(tǒng)原理及EDA 仿真[M]. 合肥：中國(guó)科技學(xué)技術(shù)出版社, 2000.

[3]樊文琪.電磁兼容設(shè)計(jì)（五）[J].電子質(zhì)量，1999（4）.

[4]Mark I.Montrose 著,呂英華,于學(xué)萍,張金玲等譯.電磁兼容的印制電路板設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.