【文章內(nèi)容簡介】 測量方法：勻速加壓，并在加壓的過程中進(jìn)行血壓測量。圖14 第三代電子血壓計(jì)原理圖　 　　特征1：使用伺服加壓氣泵——控制加壓速度，并在加壓過程中測量血壓；　 　　特征2：只使用一個(gè)排氣閥——電子快速排氣閥，用于測量結(jié)束時(shí)的快速排氣。這一代電子血壓計(jì)的技術(shù)難度是MWI技術(shù)（加壓同步測量），目前國際上掌握這一代技術(shù)的公司大致有如下幾家： 金億帝、歐姆龍、松下?！?　第三代電子血壓計(jì)技術(shù)——MWI技術(shù)（加壓時(shí)測量）已經(jīng)成為腕式電子血壓計(jì)的主流技術(shù)，金億帝、歐姆龍、松下等已經(jīng)淘汰了以前的測量技術(shù)。第一代和第二代電子血壓計(jì)技術(shù)用于臂式血壓計(jì)。第三代電子血壓計(jì)技術(shù)用于腕式血壓計(jì)。需要特別說明一點(diǎn)，腕式電子血壓計(jì)，不適用于患有血液循環(huán)障礙的病人，如糖尿病、高血脂、高血壓等病會(huì)加速動(dòng)脈硬化，從而引起末梢循環(huán)障礙。這些患者的手腕同上臂的血壓測量值相差很大。建議這些患者及老年人應(yīng)選擇臂式電子血壓計(jì)來使用。因此，在使用范圍上來說第二代電子血壓計(jì)具有更廣泛的應(yīng)用[19]。 課題來源及主要研究內(nèi)容 課題來源本課題來源于天津九安醫(yī)療電子股份有限公司血壓事業(yè)部，公司現(xiàn)有血壓計(jì)NEC平臺(tái)其外部電路較復(fù)雜、成本高，而中穎公司提供的SH79F6488單片機(jī)則將可編程增益放大器PGA、高精度AD轉(zhuǎn)換模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊都集成在了單片機(jī)內(nèi)部，將電子血壓計(jì)功能平移到SH79F6488平臺(tái)可以達(dá)到達(dá)到減少硬件電路設(shè)計(jì)、提高工藝性的目的。 研究內(nèi)容1) 電子血壓計(jì)系統(tǒng)控制技術(shù)；2) SH79F6488單片機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用以及電子血壓計(jì)硬件電路總體設(shè)計(jì)；3) 利用壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，對(duì)采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析處理， 并對(duì)采集的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)毫米汞柱值進(jìn)行標(biāo)定，誤差在1mmHg；4) 設(shè)計(jì)電子血壓計(jì)測量流程框圖，編寫算法；5) 進(jìn)行算法測試以及電路板調(diào)試及實(shí)驗(yàn)；6) 對(duì)電子血壓計(jì)在高溫高壓等惡劣環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。 章節(jié)安排 第一章緒論部分主要介紹電子血壓計(jì)發(fā)展趨勢以及給出了本文主要研究內(nèi)容。 第二章給介紹了測量血壓的基本原理并出了電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)框圖。 第三章是本文的重點(diǎn)部分，主要給出了電子血壓計(jì)各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)給出最合理的設(shè)計(jì)要求。 第四章為電子血壓計(jì)軟件設(shè)計(jì)，給出了電子血壓計(jì)工作流程圖，并介紹了一些關(guān)鍵算法。 第五章實(shí)驗(yàn)部分給出了傳感器標(biāo)定試驗(yàn)以及電子血壓計(jì)測量血壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析并給出了可能產(chǎn)生的誤差原因。 第六章總結(jié)與展望，總結(jié)了本文的主要工作并對(duì)本課題中的電子血壓計(jì)做了進(jìn)一步展望。第二章 血壓測量與電子血壓計(jì)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì) 血壓測量工作原理 血壓的概念血壓就是血管內(nèi)血液對(duì)于單位面積血管壁的側(cè)壓力，即血管內(nèi)血液的靜壓。由心臟出來的血壓，需要有推力才能繞行身體一周，心臟就是借著不停地收縮、放松，將血液推送前進(jìn)。血壓有兩種，一是收縮壓：是當(dāng)心臟收縮把血液打到血管所測得的血壓，二是舒張壓：是心臟在不收縮所得的壓力。收縮壓是血壓的中最大值，舒張壓是血壓的最小值也就是醫(yī)學(xué)上所測得的高壓和低壓。人體的主要健康參數(shù)，如心電、腦電、脈搏、體溫等數(shù)據(jù)的變化都與血壓有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，人體的主要器官，如心臟、肝臟、腎臟、腦組織、動(dòng)靜脈、關(guān)節(jié)等疾病的產(chǎn)生和治療，都與血壓的數(shù)據(jù)有密切關(guān)系。因此經(jīng)常性地監(jiān)測血壓變化情況，對(duì)于預(yù)防和治療上述疾病有著非常重要的意義[9]。 血壓測量原理血壓測量的方法可分為直接測量法和間接測量法兩種。直接測量法又叫有創(chuàng)測量法，也就是通過穿刺在血管內(nèi)放置導(dǎo)管后測得的血壓，比如在做心臟介入診斷及治療時(shí)就要監(jiān)督患者的有創(chuàng)血壓。用有創(chuàng)方法直接測量血壓，因所測部位不同，方法各異，也不能完全反映人體的血壓。間接測量法又叫無創(chuàng)測量法，也就是不通過穿刺在血管內(nèi)放置導(dǎo)管而是通過間接測量測得的血壓。常見的間接測量方法有柯氏音放大法和示波法[10] [11]?？率弦舴糯蠓绰犜\發(fā)，是一種無創(chuàng)血壓測量方法，屬于間接測量人體血壓的方法。通過袖帶加氣壓擠血管，使血流完全堵斷，這時(shí)用聽診器是聽不到血管的波動(dòng)聲，然后慢慢放氣直至聽到脈搏聲，此時(shí)成為收縮壓。繼續(xù)放氣通過聽診器能聽到強(qiáng)而有力的脈搏聲，且慢慢變輕，直至聽到很平穩(wěn)較正常脈搏聲。這時(shí)認(rèn)為血管完全未受擠壓，即舒張壓?！　】率弦舴ǚ譃槿斯た率弦舴ê碗娮涌率弦舴?。其中，電子柯氏音法是在上世紀(jì)70～80年代發(fā)展起來的一種電子測量血壓的方法。它的基本原理是把人工柯氏音法用電子技術(shù)來完成，也就是對(duì)袖帶加氣、放氣用氣泵來完成。聽脈搏音用電子拾音器來完成。判斷方法與人工幾乎相同。所不同的就是用計(jì)算機(jī)代替了人的判斷。示波法測量血壓，就是當(dāng)綁在手臂上的袖帶壓力比血管收縮壓高出約60mmHg時(shí)，血管被阻斷。隨著袖帶壓力的下降血管由阻斷變導(dǎo)通，這一過程就會(huì)在袖帶中產(chǎn)生一系列的小脈沖[14]。如圖21所示。圖21 袖帶中的小脈沖（縱軸mmHg,橫軸S）將疊加在袖帶壓力線中的小脈沖波拾取出來，并與袖帶的壓力相對(duì)應(yīng)，得到下圖22所示的包絡(luò)線。圖22 包絡(luò)線（縱軸mmHg,橫軸mmHg）通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，收縮壓分布在包絡(luò)線上升沿的40％－80％的地方，舒張壓分布在包絡(luò)線下降沿50％－90％的地方，對(duì)小脈沖的峰值構(gòu)成包絡(luò)線進(jìn)行分析處理，就可以進(jìn)行血壓值的判別了。根據(jù)氣袖在減壓過程中，其壓力振蕩波的振幅變化包絡(luò)線來判定血壓是示波法的精髓。目前比較一致的看法是當(dāng)氣袖壓力振蕩波的振幅最大的時(shí)候，氣袖的壓力是動(dòng)脈的平均壓。動(dòng)脈的收縮壓對(duì)應(yīng)于振幅包絡(luò)線的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對(duì)應(yīng)于包絡(luò)線的第二個(gè)拐點(diǎn)。收縮壓判斷的確定：通常采用最大的振幅法，即在放氣過程中脈搏波振幅度包絡(luò)線的上升段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度與之比≥Ks時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓[12] [13]。 (21)舒張壓判斷的確定：也是用最大的振幅法來判定，不過是在脈搏波振幅包絡(luò)線的下降段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度與之比≤Kd時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓。 (22)血壓信號(hào)以及收縮舒張壓的位置如圖23所示圖23 血壓交直流信號(hào)及收縮壓和舒張壓位置先找出最大振幅值 Amax ,在往前找幅值為0. 5Amax的瞬態(tài)位置對(duì)應(yīng)血壓直流分量即為收縮壓,往后找幅值為0. 8Amax的瞬態(tài)位置對(duì)應(yīng)血壓直流分量即為舒張壓,將計(jì)算出的收縮壓和舒張壓結(jié)果輸出至液晶驅(qū)動(dòng)器顯示。對(duì)于不同的血壓計(jì)生產(chǎn)商，主要以臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。 電子血壓計(jì)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì) 電子血壓計(jì)硬件框圖一款完整的電子血壓計(jì)一般來說都由這些模塊組成：電源模塊、單片機(jī)核心控制模塊、壓力傳感器、袖帶及加壓排氣系統(tǒng)、按鍵控制、LCD液晶顯示屏。圖24為本課題中所設(shè)計(jì)的電子血壓計(jì)硬件框圖。電源模塊JTAG壓力傳感器泵閥系統(tǒng)及袖帶LCD液晶顯示單片機(jī)及其外圍電路圖24 電子血壓計(jì)硬件框圖 測量時(shí)袖帶位置須與心臟高度保持一致，上臂自然下垂，肘和前臂自然地搭在桌子上，手心向上，不要把整個(gè)胳膊平伸在高于心臟位置的桌子上，或用墊子將胳膊墊得過高，保持放松，按下開始按鍵，電子血壓計(jì)開始給袖帶充氣，通常情況下加壓到160~190mmHg左右，停止充氣，開始機(jī)械式放氣，在放氣過程中電子血壓計(jì)會(huì)對(duì)血壓值進(jìn)行計(jì)算，放氣結(jié)束后將收縮壓與舒張壓顯示在LCD液晶上，整個(gè)過程全自動(dòng)進(jìn)行，方便快捷，任何人在家中即可進(jìn)行。 電子血壓計(jì)指標(biāo)本課題所研究的電子血壓計(jì)樣子要達(dá)到如下指標(biāo)[20]測量原理：示波法。 顯示范圍：0~300mmHg(0~40KPa), 測量范圍：40~270mmHg(~36KPa) AD轉(zhuǎn)換分辨率：16位放氣速率：~(~) 靜態(tài)壓力基本誤差：1mmHg ()動(dòng)態(tài)壓力基本誤差：1mmHg () 本章小結(jié)本章主要介紹了血壓的基本感念以及本課題中測量血壓的基本原理：示波法。其中示波法的基本思路就是在袖帶放氣過程中，將傳感器測得的壓力信號(hào)的交直流信號(hào)分離出來，通過交流信號(hào)的幅值關(guān)系，找出對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)那一點(diǎn)所對(duì)的壓力值就是要測量的血壓值。電子血壓計(jì)概述給出了本課題所要設(shè)計(jì)的電子血壓計(jì)的組成、工作過程以及技術(shù)指標(biāo)，其中的壓力基本誤差部分關(guān)系到傳感器的選型以及其工作電路設(shè)計(jì)。第三章 電子血壓計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)選型本課題中電子血壓計(jì)控制核心部分要求具有高精度AD轉(zhuǎn)換模塊以及可編程增益放大器功能，綜合考慮后我們選擇上海中穎公司生產(chǎn)的SH79F6488型號(hào)的單片機(jī)作為我們的開發(fā)平臺(tái)。SH79F6488是上海中穎公司生產(chǎn)的一款高速高效率8051兼容單片機(jī)。在同樣振蕩頻率下，較之傳統(tǒng)的8051芯片它具有運(yùn)行更快速，性能更優(yōu)越的特性。SH79F6488保留了標(biāo)準(zhǔn)8051芯片的大部分特性，包括內(nèi)置256 字節(jié)RAM，1 個(gè)UART和外置中斷INT0、INTINT2。此外，SH79F6488還集成了2304字節(jié)的外部RAM，可兼容8052芯片的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（定時(shí)器2 ）。SH79F6488單片機(jī)還包括適合于程序和數(shù)據(jù)的64K 字節(jié)Flash。SH79F6488不僅集成了如EUART和SPI等標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，此外還集成了帶低功耗模式的LCD驅(qū)動(dòng)器、20位ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊(ADC) 、可編程增益放大器(PGA) 、運(yùn)算放大器(OP)、脈寬調(diào)制模塊(PWM)接口等。為了達(dá)到高可靠性和低功耗，SH79F6488集成了看門狗定時(shí)器，低電壓復(fù)位功能以及系統(tǒng)時(shí)鐘監(jiān)控功能。此外SH79F6488還提供了2 種低功耗省電模式。該單片機(jī)具有20位數(shù)據(jù)輸出16位高分辨率的ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換模塊；內(nèi)置一個(gè)可編程增益放大器（PGA），通過軟件數(shù)字編程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小信號(hào)的模擬放大，既省略了外圍硬件電路設(shè)計(jì)又能在一定程度上提升體統(tǒng)穩(wěn)定性。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)電源模塊，本課題所設(shè)計(jì)的血壓計(jì)類型為全自動(dòng)臂式電子血壓計(jì)，其電池電壓為6V，所以我們需要一個(gè)降壓穩(wěn)壓模塊將電池電壓降到一個(gè)穩(wěn)定的VDD。該模塊中我們選擇了精工電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為S1206B36超低消耗電流，低電壓型CMOS電壓穩(wěn)壓器，177。%的電壓值，S1206系列芯片具有以下特點(diǎn)：可詳細(xì)地選擇輸出電壓。 ~ V的范圍內(nèi)， V為進(jìn)階單位來選擇。能夠使用低等效串聯(lián)電阻電容器。輸入﹑輸出電容器， 181。F以上的陶瓷電容器。輸入電壓范圍寬。 ~ V。輸出電壓精度高。 177。%精度（ ~ V輸出產(chǎn)品﹕177。15 mV）。輸入輸出壓差低。150 mV 典型值（ V輸出產(chǎn)品﹐IOUT = 100 mA 時(shí)）。消耗電流少。工作時(shí)﹕ 181。A 典型值、 181。A 最大值 輸出電流高。可輸出250 mA （ V輸出產(chǎn)品﹐VIN ≧VOUT(S) ＋ V時(shí)）*1 。內(nèi)置過載電流保護(hù)電路。限制輸出晶體管的過載電流。采用小型封裝。SOT233 、SOT89SNT6A（H）。無鉛產(chǎn)品應(yīng)用S1206B36芯片設(shè)計(jì)的降壓穩(wěn)壓模塊電路圖如圖31所示。圖31 降壓穩(wěn)壓模塊單片機(jī)時(shí)鐘模塊SH79F6488支持4 種振蕩器類型，如下圖32所示： 晶體諧振器，晶體/ 陶瓷諧振器，內(nèi)部12MRC振蕩器，PLL 振蕩器。通過代碼選項(xiàng)OP_OSC（代碼選項(xiàng)）的設(shè)置，可以選擇兩種振蕩器類型作為系統(tǒng)的振蕩器1 （OSC1CLK）時(shí)鐘源和振蕩器2（OSC2CLK）時(shí)鐘源。通過寄存器CLKCON和PLLCON的設(shè)置，可以選擇一種作為系統(tǒng)頻率（SYSCLK ）用以支持CPU及片上外圍設(shè)備。當(dāng)選擇振蕩器1 時(shí)鐘（OSC1CLK）作為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率分頻器的輸入時(shí)鐘（OSCSCLK ）（FS=0），并且系統(tǒng)進(jìn)入掉電（PowerDown ）模式時(shí)，振蕩器1 時(shí)鐘（OSC1CLK）和振蕩器2 時(shí)鐘（OSC2CLK）都會(huì)關(guān)閉。如果時(shí)基定時(shí)器模塊或LCD模塊功能開啟時(shí)，振蕩器1 時(shí)鐘（OSC1CLK）不會(huì)關(guān)閉，振蕩器2 時(shí)鐘（OSC2CLK）會(huì)關(guān)閉。當(dāng)選擇振蕩器2 時(shí)鐘（OSC2CLK）作為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率分頻器的輸入時(shí)鐘（OSCSCLK ）（FS=1）并且系統(tǒng)進(jìn)入掉電（PowerDown ）模式時(shí)，振蕩器2 時(shí)鐘（OSC2CLK）會(huì)被關(guān)閉，而振蕩器1 時(shí)鐘（OSC1CLK）仍然會(huì)被打開，用以支持片上外圍設(shè)備（例如定時(shí)器3 、時(shí)基定時(shí)器等）。內(nèi)部12MHz RC支持硬件/ 軟件校正功能，當(dāng)CLKLO寄存器中的CLKRCEN=0 時(shí)，內(nèi)部RC由系統(tǒng)硬件自動(dòng)校正；當(dāng)CLKRCEN=1 時(shí)，內(nèi)部RC由用戶軟件校正，通過修改CLKRC0 寄存器的值調(diào)整RC振蕩頻率，CLKRC1 寄存器為出廠校正的初值數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)整RC振蕩頻率偏移較大時(shí)，可通過只讀寄存器CLKRC1 獲取校正初值數(shù)據(jù)。本課題中為了減小硬件電路開支，我們選擇內(nèi)部12MRC振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘。圖32 單片機(jī)振蕩器類型選擇框圖JTEG調(diào)試接口SH79F6488還提供了可供在線調(diào)試的JTAG接口，用于仿真調(diào)試。接口電路如下圖33所示。仿真時(shí)還需要JTEG51仿真器相配合。該接口電路由SH79F6488說明文檔直接給出，用戶只要按照要求連接好電路即可，使用時(shí)不必深究其工作原理。圖33 JTAG接口原理圖各個(gè)接口的作用:TDO：調(diào)試接口，測試數(shù)據(jù)輸出。TMS：調(diào)試接口，測試模式選擇。TDI：調(diào)試接口，測試數(shù)據(jù)輸入。TCK：調(diào)試接口，測試時(shí)鐘輸入。調(diào)試時(shí)需要從中穎公司主頁下載專區(qū)下載keil插件Sino_Keil，安裝后使用keil軟件的Debug功能即可對(duì)單片機(jī)進(jìn)行在線仿真調(diào)試。AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)SH79F6488包含一個(gè)20位數(shù)據(jù)輸出16位分辨率的ΣΔ模