基于可編程片上系統(tǒng)的智能電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案

一、引言

血壓是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。隨著人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化程度的提高，人們自我保健意識逐漸增強(qiáng)，電子血壓計(jì)具有低成本、小型化、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，如今已作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞。

可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC。它可以將MCU、DSP和FPGA完美結(jié)合，有非常好的發(fā)展前景。本文介紹了一種基于SOPC的智能電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)方案，該方案采用示波法進(jìn)行血壓測量，具有自動測量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲、查看和刪除歷史數(shù)據(jù)等功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由FPGA芯片、存儲器、壓力傳感器、氣泵、電磁閥、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示器、電源管理模塊等組成。

2.2 主控芯片

本系統(tǒng)采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入NNIOS II軟核作為核心處理器。FPGA的型號為Cyclone II系列EP2C35F672C6，該型號具有豐富的邏輯單元和I/O接口，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。NNIOS II軟核處理器是一種可配置的32位RISC處理器，可以靈活地配置處理器的性能和外設(shè)接口，從而實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)控制。

• 型號：Cyclone II系列EP2C35F672C6

• 作用：作為系統(tǒng)的核心處理器，完成自動測量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲、查看和刪除歷史數(shù)據(jù)等功能。

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器用于將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為電信號。本系統(tǒng)采用Motorola公司生產(chǎn)的MPXV5050GP壓力傳感器。該傳感器內(nèi)部含有信號運(yùn)放，具有信號調(diào)節(jié)功能，有良好的線性度，可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0.2～4.7V的電信號，對應(yīng)的血壓值為0～375mmHg，與血壓計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常匹配。

• 型號：MPXV5050GP

• 作用：將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為電信號，供后續(xù)處理。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號處理電路

從壓力傳感器出來的信號是脈搏波的振蕩信號和靜壓力信號的混合信號，還夾雜著來自外界的高頻干擾、直流或低頻分量。因此，需要對混合信號進(jìn)行處理，提取出有用的血壓信息。

信號處理電路主要由低通濾波器、帶通濾波器、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成。低通濾波器用于提取靜壓力信號，帶通濾波器用于提取脈搏波信號。放大電路用于對脈搏波信號進(jìn)行放大，以提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供后續(xù)的數(shù)字信號處理算法使用。

3.2 氣泵和電磁閥控制電路

氣泵和電磁閥用于控制袖帶的充氣和放氣過程?？刂茪獗煤碗姶砰y工作的信號是由FPGA發(fā)出的。由于FPGA的數(shù)字I/O輸出電流不能滿足要求，因此采用達(dá)林頓管陣列ULN2803驅(qū)動電路來驅(qū)動氣泵和電磁閥工作。

• 氣泵驅(qū)動電路：采用ULN2803的第一路驅(qū)動氣泵，氣泵需要的工作驅(qū)動電流為450mA。

• 電磁閥驅(qū)動電路：采用ULN2803的第二路驅(qū)動電磁閥，電磁閥需要的工作驅(qū)動電流為75mA。

3.3 顯示模塊

顯示模塊采用128×64點(diǎn)陣LCD顯示器，用于顯示測量結(jié)果和用戶操作界面。LCD顯示器具有操作簡便、界面友好的特點(diǎn)。

• 型號：128×64點(diǎn)陣LCD顯示器

• 作用：顯示測量結(jié)果和用戶操作界面。

3.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊采用Flash芯片，用于保存測量結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)。Flash芯片具有容量大、讀寫速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

• 型號：根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的Flash芯片

• 作用：保存測量結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件工作流程

系統(tǒng)的軟件工作流程如圖2所示。當(dāng)用戶測量血壓時(shí)，按下“測量”按鍵，SOPC系統(tǒng)發(fā)出控制信號給氣泵，開始加壓充氣。充氣的過程中，來自壓力傳感器的血壓信號經(jīng)放大、濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入SOPC系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的信號處理算法，計(jì)算出心率、收縮壓和舒張壓的值。SOPC計(jì)算出測量值以后，保存本次測試結(jié)果至Flash芯片，如果測量結(jié)果正常，則LCD顯示出所測的數(shù)據(jù)并執(zhí)行快速放氣操作；如果測量出的結(jié)果超出正常范圍，則顯示相應(yīng)提示信息，同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲音和放氣控制信號。

4.2 信號處理算法

信號處理算法部分主要是對采樣的脈搏信號進(jìn)行處理，包括采用數(shù)字濾波算法對各種干擾噪聲信號進(jìn)行識別與去除，改善脈搏波的包絡(luò)線等，以提高電子血壓計(jì)在測量血壓時(shí)的抗干擾能力與測量精度。

具體的信號處理算法包括：

1. 數(shù)字濾波算法：采用低通濾波器和帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波，去除高頻干擾和低頻分量。

2. 特征點(diǎn)提取算法：根據(jù)脈搏波的包絡(luò)線提取特征點(diǎn)，用于計(jì)算收縮壓和舒張壓。

3. 心率計(jì)算算法：根據(jù)脈搏波的峰值計(jì)算心率。

4.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

本系統(tǒng)支持多種無線傳輸方式，如藍(lán)牙、WiFi等，可以將測量結(jié)果無線傳輸至通訊設(shè)備并同步上傳到云計(jì)算服務(wù)器或客戶指定的服務(wù)器。配套的APP軟件可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫總€(gè)用戶對應(yīng)的ID下，實(shí)現(xiàn)多用戶系統(tǒng)管理，單用戶自主查看。

五、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的測量結(jié)果，將此電子血壓計(jì)與市面上評價(jià)比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計(jì)分別對不同的個(gè)體進(jìn)行了測量。從多組測量結(jié)果的對比可以看出，雖然測量結(jié)果存在一定的誤差，但本血壓計(jì)對不同的測量者具有良好的個(gè)體適應(yīng)性。與歐姆龍電子血壓計(jì)相比，本血壓計(jì)測得的血壓結(jié)果略有偏大，這是因?yàn)殡娮友獕河?jì)采用基于充氣過程的示波法，特征點(diǎn)的確定只能依賴采集樣本的統(tǒng)計(jì)歸納，有一定的離散性。此外，在測量過程中，壓力傳感器輸出信號以及放大、濾波等電路的輸出信號都可能與真實(shí)值之間存在一些小的差異，因此會存在一定的誤差。

六、結(jié)論

本文提出了一種基于SOPC的智能電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案，該方案采用示波法進(jìn)行血壓測量，具有自動測量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲、查看和刪除歷史數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入NNIOS II軟核作為核心處理器，簡化了電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，有利于系統(tǒng)的升級。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該血壓計(jì)對不同的測量者具有良好的個(gè)體適應(yīng)性，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。