基于ARM嵌入式系統(tǒng)的便攜式血壓檢測儀設(shè)計(jì)

張朝福

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)血壓檢測便攜性和實(shí)用性，文章采用了高性能的STM32F407芯片，實(shí)現(xiàn)了對血壓檢測過程的自動控制與調(diào)節(jié)。采用摩托羅拉公司MPX21000高精度壓力傳感器完成血壓數(shù)據(jù)的采集。血壓數(shù)據(jù)采集后可以實(shí)現(xiàn)自動顯示以及儲存，同時(shí)還進(jìn)行了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的植入，很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，且方便進(jìn)行軟件二次開發(fā)和升級。

關(guān)鍵詞：ARM；血壓檢測；STM32F407芯片；MPX21000；μC/OS-Ⅱ

隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。同時(shí)，在嵌入式技術(shù)的推動下，醫(yī)療電子行業(yè)也取得了快速發(fā)展。隨著生活水平的提高，高血壓、冠心病和心臟病的發(fā)病率越來越高，給患者和社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)。因此，檢測人體內(nèi)的血壓以及各種預(yù)防和治療尤為重要。目前市場上出現(xiàn)的一些血壓檢測設(shè)備由于便攜性不佳，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的血壓監(jiān)測，所以對預(yù)防的意義不大。因此，本文采用ARM架構(gòu)STM32F407芯片作為主控芯片，MPX21000作為血壓采集芯片，同時(shí)，使用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。

1 血壓測量原理及方法

當(dāng)血液流動時(shí)，它像一條光滑的河流一樣流動。但是，當(dāng)水流通過狹窄的管道時(shí)，它會發(fā)出聲音，根據(jù)該原理設(shè)計(jì)測量人體血壓的血壓計(jì)，有很多方法可以測量血壓。該方法進(jìn)一步分為人工Korotkoff方法和電子Korotkoff方法。人工Korotkoff方法是水銀血壓計(jì)，包含可充氣的袖帶并使用聽診器。袖帶內(nèi)的氣壓是水銀柱的高度指示，袖帶中的壓力可以傳遞到動脈壁，對袖帶加壓直到動脈壁關(guān)閉。然后逐漸減小壓力，當(dāng)袖帶的壓力與收縮壓相同時(shí)，血管打開，聽診器聽到Korotkoff聲，此時(shí)袖帶壓和收縮壓相等。袖帶上的壓力繼續(xù)下降，恰好低于舒張壓，Korotkoff聲音消失。這樣就可以測得血壓了。雖然這種方法簡單方便，但人為因素的影響很大，測量結(jié)果非常大。所以有一種比較精確的方法，叫作波形特征法。

波形特征方法，也稱為突變點(diǎn)方法，根據(jù)脈沖的變化確定血壓值。根據(jù)突變點(diǎn)的原理，在袖帶放氣期間脈搏的幅度會突然變化，例如收縮壓的值和突變時(shí)的舒張壓值。血壓一般有3種典型的判別方法。它們是定性方法、壓力波包絡(luò)拐點(diǎn)方法和彈性判別方法[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，ARM嵌入式系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心。 負(fù)責(zé)完成整個(gè)系統(tǒng)的控制和處理，嵌入式系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的分析處理、存儲以及顯示的功能。外部電路負(fù)責(zé)采集信號并驅(qū)動電路。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心來進(jìn)行，主要包括3個(gè)組成部分，分別為硬件部分、嵌入式操作系統(tǒng)以及系統(tǒng)控制處理程序。系統(tǒng)對ARM芯片STM32F407予以采用，對整個(gè)系統(tǒng)的控制與處理負(fù)責(zé)。嵌入式操作系統(tǒng)以此硬件平臺為基礎(chǔ)執(zhí)行裁剪、配置與移植等任務(wù)，主要進(jìn)行系統(tǒng)多任務(wù)的控制與處理。在硬件平臺與操作系統(tǒng)上對系統(tǒng)服務(wù)程序進(jìn)行開發(fā)之時(shí)，主要完成的工作為對數(shù)據(jù)的采集、分析處理、存儲與顯示。

當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，STM32 F407主控芯片開始驅(qū)動氣閥對袖帶進(jìn)行充氣以及放氣操作，在放氣過程中，袖帶中的傳感器收集并量化血壓信號，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后執(zhí)行濾波處理。低通濾波的主要功能是消除充電和放電過程中產(chǎn)生的高頻干擾信號和斜坡信號；然后高通濾波器把低頻信號濾掉，最后得到壓力的變化信號，但是由于得到的信號比較微弱，因此，必須進(jìn)行放大器轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，電源模塊作為一個(gè)不可或缺的部分，主要向整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供能量支持，LCD顯示模塊則用于分析處理后相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示[2]。

2.2 系統(tǒng)主控電路

STM32F4系列是ST開發(fā)的高性能微控制器，是一款以Cortex-m4為核心的高性能微控制器。擁有最高168 MHz的主頻，內(nèi)部集成了新的DSP和FPU指令，而且擁有多達(dá)1 M的 FLASH，192 Kb的SRAM。并且支持硬件浮點(diǎn)計(jì)算，它還擁有非常多的外設(shè)，例如SPI，IIC，A/D，D/A等。其具體的功能以及連接關(guān)系如圖2所示。

2.3 濾波電路

本系統(tǒng)中濾波電路尤為重要，圖3為本系統(tǒng)的二階低通濾波器電路的原理圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計(jì)

μC/OS-Ⅱ意思為控制操作系統(tǒng)版本2，它可以用于各種單片機(jī)或者DSP。μC/ OS-II是一款完整、便攜、可固化、可裁剪、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)處理內(nèi)核。用C語言編寫，包括匯編程序的一小部分。μC/OS-Ⅱ是開源的，提供源代碼，可以從網(wǎng)絡(luò)上下載到。它的移植性也非常好。而且可裁剪，它可以使用條件編譯選擇只編譯自己的主要功能。并且它可以管理64個(gè)任務(wù)，其中8個(gè)為μC/OS-Ⅱ任務(wù)，56個(gè)為用戶程序。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)植入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。

3.2 血壓測量軟件設(shè)計(jì)

本流程是基于放氣過程介紹，采用示波法測量血壓，首先進(jìn)行快速充氣，當(dāng)壓力達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的值時(shí)，停止充氣。然后緩慢放氣，壓力傳感器收集壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)它達(dá)到一定水平時(shí)，即，當(dāng)收集到準(zhǔn)確的血壓時(shí)，執(zhí)行快速放氣。然后，對收集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波器放大處理。之后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式傳輸?shù)街骺刂菩酒赃M(jìn)行分析和處理。最后得到血壓的值，并且把結(jié)果由LCD進(jìn)行顯示。

3.3 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互工程，對帶字庫LCD液晶LCM12864ZK予以選用，數(shù)據(jù)傳輸通過并行接口方式來實(shí)現(xiàn)。LCM12864ZK并行數(shù)據(jù)傳輸模式中的PSB腳接高電平，在進(jìn)行并行傳輸之時(shí)，指令控制位（DL FLAG）用于對4位或8位工作模式的控制與選擇，基于系統(tǒng)的控制，RS，RW，E等控制端口以及D0-D7等數(shù)據(jù)輸入輸出端口各自執(zhí)行對指令或數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。在4位傳輸模式中，每個(gè)8位指令都會被劃分成兩組，分為兩次接受端口的傳輸，其中，高4位被放置在第1組D7-D0的部分，而低4位則會被放置在第2組D7-D0的部分。

以下為程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要功能函數(shù)：

void Delayus（Ulong t）； //延時(shí)函數(shù)

void BusyLoop（）； //判忙函數(shù)

void Write_command（Uchar CMD，Uchar bb）； //發(fā)控制字函數(shù)

void Write_data（UcharCMD）； //發(fā)數(shù)據(jù)函數(shù)

void Initial（）； //初始化函數(shù)

void Clear（）； //清屏

void Diaplay（Uchar*ptr，Uchar ddram） //顯示字符串函數(shù)

4 結(jié)語

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)醫(yī)療的電子行業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，本文的血壓檢測是基于ARM架構(gòu)的STM3F407芯片的一個(gè)典型應(yīng)用。在如今市場上，血壓檢測設(shè)備都存在很多問題，比如存儲容量小，測量精度不佳，不方便使用等。通過使用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了血壓測量的小型化，也使得血壓測量更方便，更便攜。

[參考文獻(xiàn)]

[1]高夢龍.探究基于ARM單片機(jī)的觸摸屏嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通訊世界，2017（17）：272-273.

[2]鄧波.基于ARM單片機(jī)的核輻射探測裝置設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2017（11）：57-59.

Abstract：In order to realize convenience and practicability blood pressure measuring， the paper used high-powered STM32F407 chip to automatic control and regulate blood pressure measuring process. It used MPX21000 high precision pressure sensor that designed by Motorola Inc to accomplish the blood pressure data collection. After the blood pressure data collection， it can realize automatic display and storage functions， at the same time， the detector also inserted μC/OS-Ⅱ real-time operating system， it improved the systems stability and accuracy in a large part， and made a convenience to the systems secondary development and upgrade.

Key words：ARM； blood pressure measuring； STM32F407 chip； MPX21000； μC/OS-Ⅱ