电子血压计的设计与验证讲解.docx
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电子血压计的设计与验证讲解
电子血压计的设计与验证
医学院（生物医学工程）
【摘要】
血压是人体重要的生理参数之一，对其的准确监测将对心血管疾病诊断和治疗具有重要意义。
本设计是采用振荡法的无创血压测量技术来实现电子血压计，结合了现代传感技术、计算机与信号处理技术。
本文主要从硬件方面介绍了电子血压计的设计，主要包括电源电路、放大滤波电路、LCD显示电路、控制电路和数字处理等电路设计和核心器件选型，系统中采用压力传感器US9111和LMV2264运放对信号进行信号转换、放大、滤波，以STM32F103RBT6单片机为核心，实现泵阀控制和对采集到的压力与脉搏信号进行处理，并上传测量的数据到上位机进行显示，实现系统功能，达到预期的设计目标。
【关键词】血压，硬件系统，显示；
1前言
1.1研究背景
1.1.1电子血压计概述
通常所说的血压是指动脉血压，血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。
心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高，即动脉血压的峰值，称为收缩压（systolicbloodpressure，SBP）[1]。
心室舒张，动脉血管弹性回缩，血液仍慢慢继续向前流动，但血压下降，此时的压力称为舒张压（diastolicbloodpressure，DBP），即血压的谷值[2]。
血压是机体重要的生命特征之一，可以反映出人体心脏和血管的功能状况，是临床上诊断疾病、观察治疗效果、进行诊后判断等的重要依据[3]。
电子血压计是基于采用无创血压测量方法的生命信息监测医疗设备，无创血压测量方法主要有听诊法和示波法，其中示波法又称震荡法，本设计的测量原理是示波法。
电子血压计有臂式、腕式之分，腕式电子血压计的优点是小巧便携，但测量结果不够精确；上臂血压计虽然机型较大携带不便，但是精度较高，更具有临床意义，所以本次设计目标也是上臂式电子血压计。
血压计的技术经历了最原始的第一代、第二代（半自动血压计）、第三代（智能血压计）的发展。
第一代电子血压计是在减压时进行测量，使用的主要元器件包括压力传感器、快速加压气泵和机械快速排气阀。
第一代电子血压计由于机械式排气阀的不稳定，测量结果也不稳定，误差较大。
第二代电子血压计也是在减压时进行测量，第二代是电子控制排气阀，可以智能加压，减小人为误差，使得测量结果更加稳定。
第三代电子血压计是在加压时就进行测量，目前国际上掌握这一技术的公司并不多。
第一代和第二代电子血压计都是上臂式的，第三代是腕式电子血压计，由于掌握MWI技术（加压时测量）的公司很少和腕式电子血压计不适合有血流障碍的病人使用，所以现在使用最广泛的是第二代电子血压计[4]。
1.1.2问题的提出
随着人口老龄化，人们生活水平的提高以及保健观念日益增强，人们越来越注重自己和家人的健康。
血压是人体重要的生理参数，血压的正常与否能判断一个人身体是否健康。
高血压是最常见的心血管疾病，严重影响人们的生活质量和健康。
据有关统计资料显示，目前我国的高血压患者已达两亿，并且每年都以300万以上的速度在增加[5]，高血压患者的年龄层也逐渐年轻化，关于高血压的预防和治疗已成为我国一个热门的话题。
高血压不仅是影响人们健康的慢性疾病，更是冠心病、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的祸首，所以血压的测量对预防此类疾病起到至关重要的作用。
对于全球特别是我国市场来说，血压计的需求量是十分庞大的。
中国是世界最大的电子血压计的生产基地，也是国际最大的电子血压计消费市场，但是市场上销售的电子血压计质量不一，消费者容易购入质量差的产品，而且我国很多医院依然在使用水银血压计。
水银血压计的测量必须由专业的医学人士进行，过程比较复杂，测量结果可能会因医生的不同而不同，而且水银压力计的水银具有剧毒性，对人体是有害的，使用过程要十分小心，所以研究出一款便携、廉价、准确的压力计，具有极大的市场潜力。
1.1.3国内外研究现状及发展趋势
电子血压计的前身是水银血压计，但其操作过程复杂，且依赖听诊器和听诊者，所以从严格意义上来说，水银血压计的测量并不十分精确。
而电子血压计具有操作简单、使用方便等特点，同时其功能更加完善、测量更加准确。
无创伤监护技术是未来医学工程发展的重要方向，从应用角度而言随着无创血压测量装置的测量精度提高和价格下降，医院环保要求的进一步提高，水银血压计被无创血压量设备所取代是必然趋势[6]。
现在，电子血压计已经逐渐的从医院走到了家庭，其国际市场十分庞大而稳定，在一些欧美日等发达国家，家庭拥有率超过60%。
目前电子血压计的技术已经非常成熟，绝大部分产品都具有十分成熟的显示数据、语音报告、数据异常报警、数据传输等基础功能，在激烈的电子血压计市场竞争中，很多生产商在拥有基本功能的基础上对电子血压计不断改进测量精度和增加各种功能。
欧姆龙（OMRON）新一代电子血压计HEM-7320，该电子血压计是欧姆龙公司2014年的产品，该电子血压计除了具有基本的测量、语音提示等功能外，还可以判断测量者的测量姿势是否正确，当测量者佩戴袖带过于紧实或宽松时，也会作出相应的提示这些功能都可以使得测量结果更加精确。
现国内外测量血压的技术较成熟，能准确实时地测量患者的血压变化情况，大多电子血压计是普通血压计与电子分析控制终端相连，计算机会自动加压并根据情况控制加减幅度。
一些国际上知名公司生产的产品除了一般精确测量血压的功能外，另外附加完善了许多例如血压数据记忆、无线传输、语音播放等功能，可以满足不同消费群体的需求。
随着科学技术的进步和移动医疗的发展，互联网、无线传输及云计算等技术使得血压的监测也越来越方便，同时血压监测数据的记录、传输、存储、分析也将成为现实。
未来血压计将会和移动科技相结合，智能手机管理血压，无线传输使得可以随时随地掌握家人健康；测量数据实时上传云盘，并深度剖析血压状况，做出专业分析报告。
总体上说，微型化、智能化、电子化是电子血压计未来的发展趋势。
1.1.4研究的意义
电子血压计在临床上应用广泛，在诊断治疗冠心病、高血压等心血管疾病有着重要意义，是监测生命信息的重要设备之一。
疾病的预防已成为现代人的健康思维，实时监测血压变化对于预防、诊断高血压等心血管疾病具有重要意义。
由于技术和经济的落后，以前我们检查身体只能在医院才可以实现，无法随时进行生命信息监测，身体某些变化不能及时发现。
当血压等生命信息发生异常时，不能及时预防脑出血等疾病猝发。
现在电子血压计作为家庭医疗保健重要产品，使得随时监测血压的变化成为可能，在家中测量时如发现血压异常便可及时去医院治疗。
水银血压计测量精度相对比电子血压计低，而且其测量结果会因人的不同而不同。
电子血压计能分辨1mmHg的气压，水银血压计的最小单位为2mmHg。
电子血压计通过对人体血压整个变化数值的进行采集和分析、处理，数据处理算法的运动使得测量标准保持一致，而且电子血压计的操作简单、测量精确、显示清晰等优点对于家庭老人血压的测量具有重要意义。
2电子血压计原理
2.1示波法测量原理
示波法是90年代发展起来的一种比较先进的电子测量方法，示波法是检测袖带内由于血管壁的搏动产生的气体震荡波，判断出血压与震荡波之间的关系，根据相应的函数关系从而计算出测量者血压。
加压袖带的放气过程与动脉的波动有关，动脉搏动被采集系统采集并传输到处理系统，处理系统根据一定的规律计算收缩压和舒张压。
理论计算及临床均表明，该震荡波与动脉的收缩压，舒张压和平均压之间均存在某种关系，示波法的关键就是找出它们之间的规律。
示波法的测量过程：
首先把袖带绑在测量者手臂上，自动对袖带充气到一定压力（一般为180~230mmHg），当血压流动停止，逐渐放气，当气压达到一定程度，血流就能通过血管并伴随一定的振波，振波逐渐越来越大。
压力传感器可以检测到压力及脉搏波信号，并把两路信号发送到处理系统。
由于袖带与手臂的接触越松，压力传感器检测的压力和波动就越来越小[7]。
如图1所示,以Ps为标准，血流在袖带内静压大于收缩压Ps时不能流过血管，袖带内出现细小的振荡波，这是因为近端脉搏的冲击；当袖带内静压小于收缩压Ps时，波幅增大，气压等于平均动脉压Pm时，波幅达到最大；静压小于平均动脉压Pm时波幅逐渐减小；静压小于舒张压Pd以后，动脉管壁在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，而波幅维持较小的水平[8]。
放气过程中连续记录的振荡波峰峰值形成一个包络，根据包络图与血压的函数关系可以得出测量者的血压。
图21袖带压力随时间变化
2.2电子压力计的工作原理
单片机输出脉冲波控制控制泵阀充气放气调整袖带内压力，压力传感器US9111采集到压力信号，压力信号经过放大以及滤波后产生两个信号：
压力信号和脉搏波信号。
经过仪表放大器放大的压力信号，然后再经过二级滤波放大的是脉搏波信号。
经过放大的信号接入到单片机STM32F103RBT6，单片机用内置的AD转换器把采集到的模拟信号转换成数字信号，然后通过串口传送数据给上位机，上位机对信号做分析处理，经过程序运算后，测量结果在上位机显示。
本设计中，上位机对信号进行分析处理，下位机代码实现泵、阀的控制。
本章小结
本章简单介绍了本设计中电子血压计的测量原理：
示波法。
示波法又称振荡法，基本原理思路是在袖带放气过程中，通过脉搏波的幅值关系找到对应压力信号的那一点，那一点对应的压力值就是需要测量的血压值。
本章也介绍了本设计的工作原理，描述了血压测量过程和信号处理过程，对本设计有一个大体的认识。
3电子血压计系统设计方案
3.1系统设计要求
3.1.1功能要求
本课题是电子血压计的设计与验证，以单片机STM32为核心的电子血压计的设计的功能要求是：
（1）测量压力；
（2）计算脉率；
（2）实现自动充气、放气；（3）在上位机显示测量结果。
3.1.2性能要求
电子血压计的基本要求是准确、方便、功耗低，同时要求价格能比较便宜。
本设计主要的性能要求是：
（1）精度能达到±1%；
（2）能在0~55℃的环境中稳定工作；（3）测量的范围是0～240mmHg。
在测量时操作简单，传感器灵敏度高，能准确采集到压力信号且在单片机或上位机对信号作处理时不能出现太大误差。
3.2系统设计方案
3.2.1总体方案
本设计采用4个1.5V电池为外接电源，以STM32LQFP64为核心，控制两个三极管开关电路，以此控制泵阀的运动，达到自动充气、放气的目的。
压力传感器采集的数据经过放大滤波后，再接入单片机。
本设计的血压和脉率测量结果能在在电脑上显示，上位机算法程序对数字信号作处理，下位机程序主要是泵阀的控制代码。
整体流程图如下图：
图31基于单片机的电子血压计整体流程图
3.2.2硬件设计方案
本课题的硬件设计主要分为五个模块：
电源电路模块、血压测量模块、信号初步处理模块、信号处理模块、显示模块。
整个设计的供电是4个1.5V的电池，而每块芯片的工作电压都不一样，所以需要对电压进行转换，电源电路模块是对外加的6V电池电源进行稳压转换，提供整个电路中需要的工作电压。
血压测量模块包括泵阀自动充气放气和传感器测量血压,用两个三极管开关电路控制泵阀的运动；传感器测量血压时注意与袖带的接触，以免出现太大误差。
对压力信号进行放大滤波和A/D转换时信号的初步处理，因为压力传感器采集到的信号时很小，只有几mV,必须通过放大才能输入到单片机进行下一步处理。
信号处理模块以单片机为核心，用算法程序处理血压信号，得出常规的数据。
显示模块主要是液晶显示，包括舒张压显示、收缩压和平均压显示，需要用到LCD的驱动芯片和显示芯片。
硬件架构图如下图：
图32电子血压计硬件设计架构
3.2.3软件总体设计架构
软件部分包括袖带压力控制系统、压力与脉搏信号采集系统和信号分析处理系统。
下位机程序控制气泵充气漏气调整袖带内气压；一路ADC采样袖带内气压直流分量以便取得收缩压和舒张压；一路ADC采样袖带内气压交流分量经分析计算后确定收缩压和舒压的瞬态时间位置得到具体血压数值；接收血压脉冲信号触发ADC工作；将计算出的收缩压和舒张压结果输出至LCD显示并进行数值的语音提示[9]。
本软件系统采用模块化设计，基本流程如下。
图33软件设计架构图
本章小结
本章对本设计的要求和目标作出了简单的叙述，并给出了相对应的设计方案，介绍了硬件主要的五个模块，每个模块实现不同的功能，共同组成设计的整个电路。
画出了血压测量的流程图和硬件设计的框架图，框架图较直观地描绘了单片机的外围电路，更容易去理解硬件设计想法和方案。
在后续章节中将会具体详细地介绍硬件方面的电路设计。
本章也概述了软件的总体设计想法和架构，便于理解电路板作为实现软件的平台应该怎样设计。
4硬件系统的设计
4.1传感器简介以及电路设计
4.1.1压力传感器简介
本设计选用的压力传感器US9111采用MEMS技术集成的硅压力芯片，封装成DIP-6双列直插的微型架构，具有低功耗、高输出的特点，可用恒流源或恒压源驱动，测量的压力范围较大，有效的压力测量范围为1psi至60psi。
US9111用途广泛，可适用于轮胎气压、血压测量、工业压力测量等领域。
在恒压源或者恒流源的激励下，传感器输出与所受压力成线性比例的毫伏级电压信号；然后通过外部电路对该信号进行处理放大，以达到最佳效果便于应用。
（1）US9111-006-D主要特性说明如下表：
表41US9111-006-D特性描述
工作环境温度
-40~125℃
工作电压
5.0V
工作电流
1.0mA
线性误差
±0.1%
驱动电流
1.5mA
输出信号
0~100mV
滞后性
±0.1%
根据其他的传感器特性比较，最终确定选择US9111-006-D主要是因为其价格较便宜、损耗低且该系列压力传感器是专为电子医疗器械（电子血压计）开发的一款气体压力传感器，标称压力为5.8PSI（300mmHg），满足本设计要求的0～240mmHg的压力测量范围。
（2）US9111-006-D外部结构：
图41US9111-006-D外部结构
未经补偿的高精度压力芯片封装在塑胶壳体内，通过6个插脚直插装配在电路板上，其气嘴外径3mm。
该型号产品兼容的压力介质为无腐蚀性的干燥气体。
4.1.2压力传感器电路设计
US9111的外围引脚有6个，其中第3引脚NC悬空，第1引脚GND和第6引脚GNE都接地；US9111-006-D的工作电压时5V，由VCC脚接入+5V电压。
第2引脚和第5引脚作为传感器的数据输出端，S+、S-脚将测量到的电压信号作为输入端接入放大电路中。
如下图：
图42传感器电路设计图
4.2STM32F103RBT6单片机的简介及电路设计
4.2.1STM32F103RBT6单片机简介
本设计采用的控制器是STM32F103RBT6单片机，STM32F103RBT6使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，与所有的ARM工具和软件兼容，其闪存程序储存器高达128字节和SARM达到20字节，完全可以满足本设计所需内存；STM32F103RBT6内嵌两个12位模拟/数字转换器（ADC）和嵌套向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道；STM32F103RBT6中的电压调压器包含三个操作模式：
主模式（MR）、低功耗模式（LPR）、关断模式，能够实现低损耗、高速运行的性能；同时单片机丰富的增强型外设支持定时器、ADC、SPI、I2C和USART，标准和先进的通信接口使得可以进行多种数据传输[10]。
STM32LQFP64的工作频率是72MHz，STM32F101xx增强系列工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压范围为2.0V至3.6V。
STM32LQFP64的每一个管脚都有其名称和主要的功能或默认的其他功能，其管脚图如图：
图43STM32LQFP64的管脚图
4.2.2主要性能参数
1）72MHz，高达90DMips，1.25DMips/MHz
2）128K字节闪存程序存储器，20K字节SRAM
3）2.0~3.6伏供电和I/O管脚
4）上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）、掉电监测器
5）复位时内部8MHz的RC振荡器，外部32kHzRTC振荡器
6）3种省电模式：
睡眠、停机和待机模式
调试模式；串行线调试（SWD）和JTAG调试接口
7）7通道DMA控制器
8）3个同步16位定时器，2个看门狗定时器
4.2.3单片机外围电路设计
单片机外围电路主要包括复位电路和时钟电路，总体电路设计图如图：
图44单片机总体外围电路设计图
4.2.3.1STM32的复位电路
图45STM32的复位电路设计
如图所示，从单片机的第7引脚引出10K的电阻和0.1uF的电路相连，形成复位电路。
NRST是低电平有效，上电复位时,芯片需要足够的时间进行初始化操作，在这段时间内单片机NRST引脚必须输出一个低电平。
电压的电容不会突变，复位电路正是利用这一特性设计的。
开机后电容C16电压为零，NRST端与地连通，芯片复位。
然后电源3.3V通过R22对C16充电，电容两端电压上升为高电平，NRST端与地接通。
NRST端与地接通时，芯片开始正常工作，上电复位完成。
此电路还可以通过按键完成复位：
当按键BUTTON按下时，复位引脚接地，电平拉低，电容C16瞬间放电，按键弹起时，又通过R22向电容C16充电，完成按键复位。
图46STM32的时钟电路设计
STM32内置的时钟（8M频率）精度较差，所以使用外部晶振。
如图所示，单片机的第5引脚和第6引脚连接一个8MHz的晶振及两个18pF电容电路，组成高速外部时钟电路。
C14、C15和晶振称为LC并联谐振电路，晶振起电感的作用，谐振频率由晶振的频率所决定，外部振荡器和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的内部时钟方式，单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是这个放大器的输入端和输出端，片外石英晶体和放大器一起构成一个自激振荡器；外接电容C14和C15会影响振荡器的稳定性和起振的快速性，它还可以对振荡频率起微调作用[11]。
4.3电源电路设计
4.3.1电源芯片简介
表42本设计中给元器件提供的工作电压
传感器US9111
5V
单片机STM32
3.3V
电平转换MAX232A
5V
LCD驱动HT1261B
3V
泵
6V
阀
6V
本课题中以4个1.5V电池作为电压输入，因为6V装5V的稳压芯片很难找，所以电源电路中先用升压稳压芯片LM2731把6V转为9V，再用AMS1117-ADJ芯片转到6V，提供6V的电压给泵阀驱动，因为泵阀驱动电流较大，达到400mA，而MIC5205芯片的输出电流只有150mA,所以没有选用MIC5205-ADJ。
3.3V和5V的电压转换芯片用的都是MIC5205系列芯片，提供给LCD驱动芯片的工作电压3V由AMS1117-3V转换。
（1）LM2731
TI公司的LM2731芯片是常见的升压芯片，分为“X”类型和“Y”类型，本设计使用的是LM2731“X”。
表43LM2731特性表
输出电压
1.23V~22V
输入电压
2.7V~14V
开关频率
1.6MHz
输出电流
1.8A
工作温度
-40°C~125°C
LM2731的外围电路图：
图47LM2731稳压电路设计
根据数据手册可知，Cf=330Pf，Vout与点阻R2、R3的关系为：
R3=R2*（Vout/1.23-1）①，确定R2=13.3K，根据公式①和Vout=9V可计算出R3=84K。
（2）AMS1117
AMS1117系列稳压芯片的输出电压有可调和多种固定输出，能够提供1A输出电流，其工作压差可以达到1V。
即使是在最大输出电流时，AMS1117器件的压差最大不超过1.3V并随负载电流的减小而逐渐降低。
AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
AMS1117的固定输出电压有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，可调输出电压的电路图如下：
图48AMS1117-ADJ稳压电路设计
根据数据手册可知，可调输出电压与电阻R4、R5的关系式为：
Vout=Vref*（1+R5/R4）+Iadj*R5，其中Vref=1.25V。
（3）MIC5205
MIC5205一种具有超低噪声输出的降压稳压器，输出电流较小，只有150mA，提供了优于1%的初始精度。
MIC5205系列芯片输出电压分为固定和可调类型，本设计中用到的是固定输出3.3V和5V的芯片。
4.3.2电源转换电路设计
在设计电源电路时都在每一次转换电压输出加一个插槽，防止调试电源电路的时候烧坏其他电源芯片。
总体电源转换电路设计如下图：
图49总体电源转换电路设计
4.4液晶显示模块电路设计
4.4.1液晶显示芯片ZS83376D简介
液晶屏ZS83376D是深圳微显示科技有限公司生产的专门用于电子血压计的产品，其工作电压为3.0V，可在-20℃~+70℃的温度环境中工作。
ZS83376D的显示效果图如下：
图410ZS83376D显示效果图
4.4.2液晶显示驱动芯片HT1621B的简介及电路设计
4.4.2.1HT1621B简介
HT1621B是128点内存映象和多功能的LCD驱动器,他可由软件配置成1/2或1/3的LCD驱动器偏压和2、3或4个公共端口，这一特性使得HT1621B可以适用于多种LCD显示[12]。
HT1621B的主要特性如下:
*工作电压范围：
2.4~5.2V（本设计采用3V供电）
*一个32X4的点段式LCD驱动器
*内嵌32X4为显示RAM内存
*内嵌256KHzRC振荡器
*可选1/2或1/3偏压和1/21/3或1/4的占空比
*节电命令可减少功耗
4.4.2.2HT1621B电路设计
表44LCD驱动器HT1621B的引脚描述
管脚号
管脚名称
功能描述
9
/CS
片选输入，当/CS为高电平时读写数据和命令无效，当为低电平时读写数据和命令有效
10
/RD
I/O口，READ脉冲输入
11
/WR
I/O口，WRITE脉冲输入
12
DATA
I/O口
13
VSS
负电源，接地
16
VLCD
LCD电源输入
17
VDD
正电源
21~24
COM0~COM3
LCD公共输出口
25~37
SEG31~SEG25、SEG19~SEG8
LCD段输出口
/RD低电平有效，在/RD下降沿HT1621B内存的数据被读到DATA线上，本设计中/RD接口与3V点压相连，让/RD一直处于无效状态，第9、11、12引脚分别和STM32F103RBT6的36、41、44引脚相连。
选用片内RC振荡器（256KHz）、晶振（32.768KHz）产生时钟源。
显示模块的电路设计如下图14：
图411显示模块电路设计图
4.5放大电路设计
4.5.1仪表放大器电路原理
仪表放大电路主要由两级差分放大器电路构成，由三个运算放大器所组成，如下图15，运放A1，A2为同相差分输入方式，最右边的放大器A3中电阻Rf和R3是标准差分放大器电路，增益=Rf/R3，当R1=R2时，差分输入
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