袖帶式血壓信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向蓓蓓，郭妍，謝光敏，陳吉鑫

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，成都 610039）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們患上血液疾病的概率越來越高，眾所周知，血液的容積、血管硬化的程度、心臟功能、內(nèi)分泌、運(yùn)動(dòng)、情緒等都是影響血壓的因素。要想了解到底是什么因素，到底影響多大，還得依靠血壓的精確測量加以判斷。生理學(xué)家Harrey在1628年提出了血液循環(huán)理論，在那之后的幾百年來，找到既方便有效又準(zhǔn)確可靠的血壓測量方法便成為研究者們一直追求的目標(biāo)，時(shí)至今日，血壓測量的方法已經(jīng)有很多，但每種方法都存在一定的缺陷，始終差強(qiáng)人意?；谛鋷С浞艢獾氖静ǚ▽Ρ入娮涌率弦舴?，具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)，示波法的抗干擾性強(qiáng)，重復(fù)性好［1］，因此是電子血壓計(jì)和血壓監(jiān)護(hù)儀應(yīng)用最廣泛的方法。基于此，本文旨在通過袖帶式血壓信號(hào)采集的設(shè)計(jì)，采用示波法原理進(jìn)行血壓測量，對比日常中各類血壓測量技術(shù)，找到最準(zhǔn)確、最便捷的檢測方式，實(shí)現(xiàn)對血壓精確的測量。

1 方案介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)計(jì)的模擬電子血壓計(jì)的主要組成部分包括單片機(jī)、壓力傳感器、初級(jí)次級(jí)運(yùn)算放大電路、濾波電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路。首先通過壓力傳感器采集血壓信號(hào)，血壓信號(hào)通過運(yùn)算放大電路和濾波電路的預(yù)處理，從而分離出兩路信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再對兩路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由單片機(jī)來完成信號(hào)的儲(chǔ)存與計(jì)算［2］，計(jì)算所得到的數(shù)據(jù)控制血壓計(jì)的外圍電路，從而通過顯示電路對收集到的血壓數(shù)據(jù)的數(shù)值進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的整個(gè)血壓采集系統(tǒng)主要由以下幾部分組成。

1.1.1 信號(hào)采集

由壓力傳感器、前置放大器、帶通與低通濾波器構(gòu)成，主要功能是分離出袖帶壓力信號(hào)和脈搏波信號(hào)。

1.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換

由多路D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，主要是將袖帶壓力信號(hào)和脈搏波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換器為單片機(jī)的外設(shè)。

1.1.3 中央處理單元

系統(tǒng)的中央處理單元主要部分采用的是單片機(jī)AT89C52，其主要的功能：微控制器接收特定的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和來自微控制器的外部控制命令，并將測量數(shù)據(jù)傳送回主微控制器。這些數(shù)據(jù)為血壓計(jì)算提供了具體信息，包括收縮壓、舒張壓、平均血壓數(shù)據(jù)、氣泵模數(shù)轉(zhuǎn)換控制以及測量過程中各種算法的實(shí)施。微控制器控制氣泵的填充和排空過程，并實(shí)現(xiàn)對報(bào)警系統(tǒng)的控制。

1.1.4 顯示模塊

顯示電路主要采用LCD1602，用于顯示舒張壓、收縮壓和平均血壓值。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成框圖（如圖1所示），該系統(tǒng)的整個(gè)工作流程如下：手臂套上袖帶，袖帶充氣放氣，產(chǎn)生氣壓。壓力下血管的血流產(chǎn)生振蕩波，通過氣管被壓力傳感器接收。壓力傳感器將接收到的振蕩波信號(hào)傳送到差分放大電路。差分放大器將振蕩波信號(hào)分成兩路，根據(jù)振蕩波信號(hào)的不同頻率，兩路信號(hào)被一個(gè)用于分離袖帶壓力信號(hào)的低通濾波器和一個(gè)用于分離脈沖波信號(hào)的帶通濾波器分開，并一起傳送到D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)由數(shù)字信號(hào)電路進(jìn)行處理之后，由單片機(jī)計(jì)算出舒張壓、收縮壓和平均血壓值［2］。計(jì)算數(shù)據(jù)輸入至LCD顯示。如果測量值超出正常范圍，報(bào)警信號(hào)通過顯示模塊LCD顯示為“?。?！”。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器BP01

采集血壓信號(hào)，系統(tǒng)用到的是壓力傳感器BP01，壓力傳感器BP01具有高線性、低噪聲的特性。通過溫度補(bǔ)償和內(nèi)部標(biāo)定的方式來提升測量精準(zhǔn)度、系統(tǒng)穩(wěn)定性。全范圍內(nèi)精度為±1%，零點(diǎn)失調(diào)不超過±300 μV。BP01的電路連接如圖2所示。

圖2 BP01電路連接

2.2 信號(hào)預(yù)處理電路

2.2.1 前置放大電路

動(dòng)脈血壓的參數(shù)范圍為10～400 mmHg，壓力傳感器BP01輸出的差分信號(hào)為0～15 mV，無法對生理信號(hào)進(jìn)行直接的記錄與顯示，因?yàn)樯硇盘?hào)幅度偏小、頻率偏低、內(nèi)阻高、噪聲大、抗干擾性弱［3］。為了克服生理信號(hào)的這些特性，就要求初級(jí)放大電路有一個(gè)合適的通帶寬度和動(dòng)態(tài)范圍，必須具備較高的共模抑制比、低噪聲、高增益以及高輸入阻抗，要達(dá)到這些高要求，前置放大器將是最好的選擇。

放大電路中，U3:B和U3:C連接成同相輸入的形式，能夠?qū)﹄妷浩鸬骄彌_作用，同時(shí)增大輸入阻抗。U3:D則構(gòu)成差動(dòng)放大器，提供差模增益，對從U3:B和U3:C傳送來的共模電壓起到抑制的作用，從而提高共摸抑制比。前置放大電路圖如圖3所示。

圖3 前置放大電路

2.2.2 分離袖帶壓力信號(hào)和脈搏波信號(hào)

袖帶壓力信號(hào)變化非常緩慢，屬于低頻信號(hào)，因而需要采用低通濾波器來提取出袖帶壓力信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的是二階有源低通濾波器，如圖4所示。

圖4 二階有源低通濾波器及次級(jí)放大電路圖

通常情況下，脈搏波信號(hào)的頻率在0.6～6.4 Hz范圍內(nèi)，脈搏波信號(hào)還摻雜著一些高頻干擾和低頻分量。基于此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用帶通濾波器進(jìn)行信號(hào)除雜優(yōu)化，采用兩級(jí)帶通濾波器的級(jí)聯(lián)來提高增益。兩級(jí)級(jí)聯(lián)能使頻率響應(yīng)更加尖銳，從而提高輸出的信噪比。獲取脈搏波信號(hào)，將頻率設(shè)定為0.4～6.6 Hz，電路圖如圖5所示。

圖5 兩帶通濾波器的級(jí)聯(lián)

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.3.1 ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

本設(shè)計(jì)用到的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是ADC0808，如圖6所示。它的構(gòu)成包括一個(gè)地址鎖存器、一個(gè)譯碼器、一個(gè)8路的模擬開關(guān)、一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器［4］。各引腳功能如下：

圖6 ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

START：啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸入端，上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器處于清零狀態(tài)；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的輸出引腳，低電平時(shí)開始轉(zhuǎn)換，高電平時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束［5］。

OE：輸出允許控制端，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。

ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端，高電平時(shí)有效，此時(shí)地址鎖存連同譯碼器將鎖存3位地址線的地址信號(hào)，經(jīng)譯碼的通道的模擬量被選中后被轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。

IN0～I(xiàn)N7：8位模擬量輸入引腳。

OUT1～OUT8：8位數(shù)字量輸出引腳。

A、B、C：對IN0—IN7進(jìn)行選通的一路模擬量輸入，是3位地址輸入線。

2.3.2 單片機(jī)AT89C52

單片機(jī)AT89C52是本設(shè)計(jì)的中央處理單元，如圖7所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與MCS-51系列單片機(jī)的構(gòu)成基本相同，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與51系列的其他單片機(jī)相比大很多，存儲(chǔ)容量為256字節(jié)，單片機(jī)AT89C52的指令系數(shù)和引腳功能與MCS-51的完全兼容［6］。各引腳功能如下。

圖7 AT89C52

XTAL1：振蕩器反相放大器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

RST：復(fù)位輸入。

P0口：是一個(gè)8位漏級(jí)開路的雙向I/O口。每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。當(dāng)輸入高電平時(shí)，引腳作為高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用［7］。

P1口、P2口、P3口：是具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯電平［7］。當(dāng)輸入高電平時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將拉高端口，此時(shí)可作為輸入口。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。

2.3.3 ADC0808與單片機(jī)AT89C52的連接

模擬信號(hào)通過output0和output1進(jìn)入ADC-0808，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字信號(hào)由OUT1-8輸出到單片機(jī)P0口。如圖8所示。

圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路

2.4 數(shù)據(jù)顯示部分

在選擇顯示器上，考慮到仿真結(jié)果的血壓計(jì)數(shù)據(jù)顯示。數(shù)碼管只能顯示數(shù)字，一次只能顯示一個(gè)內(nèi)容，需要按鍵切換，操作相對麻煩。LCD顯示的內(nèi)容較多，一次能把全部需要的內(nèi)容顯示出來，操作更方便，看起來也更直觀。另外LCD工作電流不大、體積輕巧、功耗低、壽命長，顯示效果逼真［8］，因此本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示采用的是LCD1602。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。開始時(shí)，系統(tǒng)首先對按鍵進(jìn)行判斷。如果按鍵按下，單片機(jī)的控制口將啟動(dòng)氣泵充氣；若按鍵無效，則返回初始化重新判斷。當(dāng)ADC信道0所測的血壓直流量大于4 V時(shí)，氣壓足量則充氣結(jié)束，氣泵開始放氣，此時(shí)氣壓大致為180 mmHg或略微大于180 mmHg；若血壓直流量不大于4 V，則返回初始化重新判斷。通過ADC信道1采集血壓交流分量測量出脈沖的峰峰值，并計(jì)算ADC通道0在該脈沖期間測量的袖帶壓力信號(hào)的平均值。該峰峰值和袖帶壓力信號(hào)平均值作為測量的一對數(shù)據(jù)，每個(gè)心跳脈沖對應(yīng)這樣的一對數(shù)據(jù)。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

由ADC信道0測到的血壓直流分量小于1 V就表示氣壓低于50 mmHg，單次測量結(jié)束。從記錄下來的多對由峰峰值和袖帶壓力信號(hào)的平均值組成的數(shù)據(jù)中找到最大的峰峰值，再從這些數(shù)據(jù)中找出最接近最大峰值0.5倍的一對數(shù)據(jù)，對應(yīng)的血壓直流分量就為收縮壓；最接近最大峰值0.7倍的一對數(shù)據(jù)，對應(yīng)的血壓直流分量就為舒張壓。然后對測出的血壓值是否在正常值范圍內(nèi)進(jìn)行判斷。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理的測量范圍是收縮壓為90～140 mmHg，舒張壓為65～90 mmHg。如果測量數(shù)據(jù)不在合理范圍內(nèi)，將通過LCD顯示出報(bào)警信號(hào)“?。?！”。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序流程

系統(tǒng)在氣泵開始充氣時(shí)就開始了D/A轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換與充氣放氣同時(shí)進(jìn)行。單片機(jī)采用查詢P2.5口來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一旦模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，P2.5接收到高電平，系統(tǒng)檢測到高電平后開始讀入數(shù)據(jù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序流程如圖10所示。

圖10 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖

4 調(diào)試與仿真

系統(tǒng)在調(diào)試仿真部分采用的是Keil uVision2和Proteus ISIS。按下按鈕，氣泵充氣。血壓直流量大于4 V時(shí)，氣泵均勻放氣，開始測量交流信號(hào)；當(dāng)血壓直流量小于1 V時(shí)，測量結(jié)束，顯示模板顯示測量值。

（1）血壓測量值在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理測量范圍內(nèi)，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 血壓正常顯示圖

（2）血壓測量值不在合理范圍內(nèi)，LCD顯示屏上顯示報(bào)警信號(hào)“！??！”。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 血壓偏高報(bào)警電路圖

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，利用單片機(jī)的高度集成化，大大簡化了實(shí)驗(yàn)電路圖，再輔以壓力傳感器BP01、氣泵、報(bào)警、外圍的模擬電路以及LCD驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)出簡易的血壓測量計(jì)，其基本工作過程為：壓力傳感器采集信號(hào)，通過差分放大器分離出袖帶壓力信號(hào)和脈搏波信號(hào)，再對這兩種信號(hào)作濾波處理，之后所得的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)AT89C52再計(jì)算分析數(shù)字信號(hào)，最后得出收縮壓、舒張壓，通過LCD顯示。在軟件設(shè)計(jì)中，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對D/A采樣的信號(hào)進(jìn)行處理，并結(jié)合相應(yīng)的算法及編程方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算血壓值的程序。