基于STM32的高安全性智能血壓計設計

吳迪，趙琢，陳逢

（威海威高醫(yī)療影像科技有限公司，山東 威海 264210）

0 引言

血壓是最常用、最重要的醫(yī)學生理指標之一，健康的血壓是維持人體正常新陳代謝必不可少的條件[1]，定期進行血壓測量和科學管理已成為醫(yī)學界防治高血壓的共識[2]。血壓計是各級醫(yī)院必備的醫(yī)療設備，同時，越來越多的電子血壓計走進家庭，測量血壓逐漸成為一種健康的生活習慣[3]。

現(xiàn)有電子血壓計由主機、袖帶和氣路構成。主機通常由微控制器、壓力傳感器、信號處理電路、充氣泵、放氣閥、泄壓閥、顯示屏、按鍵等組成。這種架構下，一旦關鍵器件出現(xiàn)故障，氣路會長時間保持高壓，袖帶壓迫上臂動脈，血流不通暢，嚴重時可能造成瘀血和組織缺氧，存在一定的安全風險[4]。

本設計是一種高安全性智能血壓計，涉及到氣路壓力的關鍵器件壓力傳感器和放氣閥都采用雙路設計。雙路器件之間相互監(jiān)控，如果其中一路發(fā)生故障，系統(tǒng)能夠監(jiān)測到，并立即處理和報警。與現(xiàn)有產品相比，極大降低了導致淤血和組織缺氧的風險。

1 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)主機由微控制器、雙路壓力傳感器、信號處理電路、充氣泵、雙路放氣閥、顯示屏、藍牙模塊、按鍵和鋰電池組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，微控制器為系統(tǒng)核心，采用高性能的STM32處理器，用于讀取壓力傳感器采集的數(shù)據、進行數(shù)據分析、控制充氣泵和放氣閥執(zhí)行動作、響應按鍵指令、驅動顯示屏和控制藍牙模塊數(shù)據傳輸。壓力傳感器采用雙路數(shù)字式壓力傳感器，用于采集氣路中的實時壓力數(shù)據，并通過SPI接口與微控制器通信，傳輸數(shù)據和獲取控制信息。充氣泵采用回轉式直流隔膜泵，在微控制器的控制下實現(xiàn)對氣路的充氣加壓。放氣閥采用雙路電磁閥，在微控制器的控制下執(zhí)行打開或關閉動作，實現(xiàn)對氣路的放氣和泄壓。顯示部分采用液晶顯示屏（LCD），可顯示收縮壓、舒張壓、脈率和時間等信息，并有屏幕控制菜單（OSD）實現(xiàn)人機交互。按鍵部分作為人機接口實現(xiàn)系統(tǒng)開關機和操作命令輸入。藍牙模塊采用BLE 4.2版本，實現(xiàn)系統(tǒng)測量數(shù)據的藍牙傳輸功能。系統(tǒng)供電電源采用3.7V/5000mAh的18650電池組，并可通過USB接口為電池組充電。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

2.1 微控制器

本設計中的微控制器芯片選用STM32F405VG，它是以ARM Cortex-M4為內核的32位單片機，最高工作頻率可達168 MHz。內置1 MB閃存和192+4 KB的RAM，包含82路GPIO，17個定時器，3路12位ADC，15組包括I2C、SPI、UART和SDIO在內的通信接口。并且具有支持LCD并行接口的可變靜態(tài)存儲控制器（FSMC），方便連接顯示屏。其處理能力強，運行速度快，接口豐富，適合高性能的嵌入式系統(tǒng)設計。其LQFP100的封裝也便于調試。

2.2 電源管理

系統(tǒng)供電電源采用兩節(jié)18650電池并聯(lián)的電池組，具有3.7V輸出電壓、5000mAh的容量。充電口為廣泛應用的USB Type C端口。為了使鋰電池在充電的同時也能夠為系統(tǒng)供電，需要選擇具有電源路徑管理功能的充電芯片。本設計采用BQ24075芯片，其集成了鋰離子電池線性充電和電源路徑管理功能，適合USB端口或者適配器充電，最高支持1.5A的充電電流。其具有的動態(tài)電源路徑管理（DPPM）功能，可以實現(xiàn)動態(tài)調整充電電流和供電電流的分配，在保證系統(tǒng)供電的同時也能有效減少電池充電次數(shù)，延長電池壽命。電源管理電路如圖2所示。

圖2 電源管理電路圖

通過ILIM引腳可以設置輸入電流上限，R9選用1.18K歐姆電阻接地，實現(xiàn)最大1.3A輸入電流。通過ISET引腳可以設置恒流充電過程中的電流值，R11選用887歐姆電阻接地，實現(xiàn)1A即0.2C的恒流充電。通過TMR引腳可以設置預充電和恒流充電過程的安全計時器，R6選用46.4KΩ電阻接地，實現(xiàn)6.25h的安全計時。#PGOOD表示接入有效充電電源，#CHG表示充電進行中，兩者都是開漏極輸出，通過發(fā)光二極管和限流電阻上拉到3.3V，并且同時接入STM32的IO口，實現(xiàn)充電狀態(tài)指示和狀態(tài)信息輸出。

2.3 壓力傳感器電路

壓力傳感器是系統(tǒng)的關鍵部件。傳統(tǒng)壓力傳感器電路設計中的外部電路較多、較復雜，調節(jié)模擬電路較為繁瑣[5]。本系統(tǒng)選用數(shù)字壓力傳感器MMR901XA，在緊湊的封裝中集成了驅動電路、放大電路和A/D轉換電路，從而簡化了外部電路設計。它具有16位高分辨率A/D轉換器；內置溫度傳感器和寫有溫度補償數(shù)據的EEPROM，用于校正環(huán)境溫度變化導致的誤差；具備SPI數(shù)字接口，用于和微控制器通信。其壓力測量范圍0～40kPa(300mmHg)，測量精度±266Pa(±2mmHg)，轉換時間5.12ms，滿足血壓計設計要求。本系統(tǒng)采用了雙路壓力傳感器設計，其中一路的電路設計如圖3所示。

圖3 壓力傳感器電路圖

2.4 充氣泵和放氣閥電路

充氣泵和放氣閥是系統(tǒng)的電動執(zhí)行機構，分別用于給氣路加壓和泄壓。充氣泵選用KPM12C，放氣閥選用電磁閥KSV15C，采用脈寬調制（PWM）的控制方式實現(xiàn)對充、放氣速率的控制。充氣泵和放氣閥的控制電路如圖4所示。STM32的IO口輸出PWM信號，經第一級三極管V3或V5反向后控制第二級功率三極管V2或V4，從而控制充氣泵和放氣閥的開關狀態(tài)。通過調節(jié)PWM的占空比，可以實現(xiàn)對開關速率的控制。

圖4 充氣泵和放氣閥控制電路圖

充氣泵和放氣閥是感性負載，在其打開和關閉狀態(tài)轉換時，會有感應電流產生。為了及時釋放感應電流，使用二極管D2和D3構成電流釋放通路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.5 顯示屏電路

顯示屏用于顯示測量出的收縮壓、舒張壓和脈率，也顯示時間、電池狀態(tài)和用戶信息。此外，還可以顯示控制菜單，實現(xiàn)系統(tǒng)設置。

系統(tǒng)采用LCD液晶屏，分辨率為256*160，可顯示4級灰度，驅動芯片為ST75256，支持并行傳輸、4線串行傳輸和I2C傳輸?？紤]到STM32接口豐富，選擇傳輸速率較快的并行接口D0～D7進行數(shù)據傳輸。其他信號還包括片選信號（CS）、指令/數(shù)據寄存器選擇信號（RS）、使能信號（EN）、讀/寫信號（WR）、復位信號（RST）[6]。背光源由6顆LED組成，每顆LED驅動電流為20mA，顯示屏和背光源均由3.3V電壓供電。

2.6 藍牙模塊電路

藍牙模塊采用BLE 4.2版本，當主設備建立與系統(tǒng)的通信后，可以實現(xiàn)主從設備之間的雙向數(shù)據傳輸。設計采用低功耗藍牙透傳模塊RF-BM-4044B3，STM32端僅需使用UART接口，即可通過藍牙模塊實現(xiàn)與外部設備之間的無線數(shù)據傳輸。模塊工作頻段2.4GHz，采用高斯頻移鍵控（GFSK）的調制方式，40頻道最高2MHz的通道間隙能更好地防止相鄰頻道的干擾[7]。具備-21dBm～+2dBm寬輸出功率調節(jié)，-97dBm高增益接收靈敏度。整體具有功耗低、連接速度快、有效通信距離長的特點。藍牙模塊的接口電路如圖5所示。

圖5 藍牙模塊接口電路

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)主程序的流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電初始化后，STM32檢測測量命令是否輸入，即開機/測量按鍵是否被按下。如果按下，STM32通過IO口輸出控制信號，充氣泵開始工作，給氣路充氣加壓。傳感器高安全性檢測程序執(zhí)行，用來監(jiān)測傳感器是否有故障發(fā)生。隨著壓力增大，當傳感器檢測到壓力大于200mmHg時，STM32通過控制IO口輸出信號，打開放氣閥，氣路開始慢速放氣，系統(tǒng)進行信號獲取和數(shù)據分析。放氣閥打開后，放氣閥高安全性檢測程序執(zhí)行，用來監(jiān)測放氣閥是否有故障發(fā)生。隨著壓力減小，當傳感器檢測到壓力小于40mmHg時，進入快速放氣階段。系統(tǒng)根據采集的數(shù)據進行分析和計算，得出收縮壓、舒張壓和脈率，并在顯示屏上顯示。同時STM32將數(shù)據發(fā)送到藍牙模塊進行無線數(shù)據傳輸，主程序流程結束。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 傳感器高安全性檢測程序設計

本系統(tǒng)具有高安全性設計，具體體現(xiàn)在設計了傳感器高安全性檢測程序和放氣閥高安全性檢測程序。傳感器高安全性檢測程序的流程圖如圖7所示。程序啟動后，雙路壓力傳感器同時測量氣路壓力，然后計算兩者的差值，并與系統(tǒng)預設的閾值相比較。如果差值小于閾值，表明壓力傳感器無故障，程序結束；如果差值大于閾值，表明其中一路傳感器存在故障，STM32通過IO口控制放氣閥快速放氣，釋放氣路壓力，保證壓力安全。同時顯示故障報警信息。

圖7 傳感器高安全性檢測程序流程圖

3.3 放氣閥高安全性檢測程序設計

放氣閥高安全性檢測程序的流程圖如圖8所示。程序啟動后，定時器啟動，同時測量一次壓力，定時器計時到一定周期后，再次測量一次壓力。計算兩次壓力差值與定時周期的比值即壓力變化率，并與閾值比較。如果前者大于后者，表明放氣閥無故障，程序結束；如果前者小于后者，表明放氣閥存在故障，STM32控制雙路放氣閥快速放氣，釋放氣路壓力，保證壓力安全。同時顯示故障報警信息。

圖8 放氣閥高安全性檢測程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

采用Fluke ProSim8生命體征模擬器對系統(tǒng)進行測試。模擬器端選擇無創(chuàng)血壓通道，信號類型設置為成人，根據血壓的范圍，選取3組收縮壓/舒張壓信號源，分別進行10次重復測試。測試結果如表1所示。由測試數(shù)據可見，測量的最大誤差為2mmHg，小于3mmHg的設計要求。在每一組壓力測試點，重復測量10次的極差為3mmHg，小于4mmHg的設計要求。系統(tǒng)的準確性和可重復性較好。

表1 測試結果

5 結語

本系統(tǒng)基于高安全性的理念，采用STM32作為控制核心，設計具有雙路壓力傳感器和雙路放氣閥的智能血壓計，實現(xiàn)故障檢測、處理和報警。系統(tǒng)采用數(shù)字式壓力傳感器，與傳統(tǒng)設計方式相比，減少了信號濾波和放大電路，受環(huán)境溫度影響小，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在保證高安全性的同時，也使設計變得簡潔。經測試表明，系統(tǒng)的準確性和可重復性較好，符合設計要求，系統(tǒng)具有較好的應用前景。后續(xù)可以給基于STM32的高安全性智能血壓計擴展功能，例如增加5G通信模塊、數(shù)據上云、與監(jiān)護系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)等，這些功能都可以在此平臺上開發(fā)實現(xiàn)。