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(shí)逐漸增強(qiáng)，電子血壓計(jì)具有低成本、小型化、自動(dòng)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(cè)量，具有自動(dòng)測(cè)量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(chǔ)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(hào)為Cyclone II系列EP2C35F672C6，該型號(hào)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(hào)：Cyclone II系列EP2C35F672C6

• 作用：作為系統(tǒng)的核心處理器，完成自動(dòng)測(cè)量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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(hào)運(yùn)放，具有信號(hào)調(diào)節(jié)功能，有良好的線性度，可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0.2～4.7V的電信號(hào)，對(duì)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(hào)：MPXV5050GP

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

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)處理電路

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

信號(hào)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(hào)，帶通濾波器用于提取脈搏波信號(hào)。放大電路用于對(duì)脈搏波信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)的數(shù)字信號(hào)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(guò)程?？刂茪獗煤碗姶砰y工作的信號(hào)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(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)氣泵和電磁閥工作。

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

• 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路：采用ULN2803的第二路驅(qū)動(dòng)電磁閥，電磁閥需要的工作驅(qū)動(dòng)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(cè)量結(jié)果和用戶操作界面。LCD顯示器具有操作簡(jiǎn)便、界面友好的特點(diǎn)。

• 型號(hào)：128×64點(diǎn)陣LCD顯示器

• 作用：顯示測(cè)量結(jié)果和用戶操作界面。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用Flash芯片，用于保存測(cè)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(hào)：根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的Flash芯片

• 作用：保存測(cè)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(cè)量血壓時(shí)，按下“測(cè)量”按鍵，SOPC系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)給氣泵，開始加壓充氣。充氣的過(guò)程中，來(lái)自壓力傳感器的血壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入SOPC系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)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(cè)量值以后，保存本次測(cè)試結(jié)果至Flash芯片，如果測(cè)量結(jié)果正常，則LCD顯示出所測(cè)的數(shù)據(jù)并執(zhí)行快速放氣操作；如果測(cè)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(hào)。

4.2 信號(hào)處理算法

信號(hào)處理算法部分主要是對(duì)采樣的脈搏信號(hào)進(jìn)行處理，包括采用數(shù)字濾波算法對(duì)各種干擾噪聲信號(hào)進(jìn)行識(shí)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(cè)量血壓時(shí)的抗干擾能力與測(cè)量精度。

具體的信號(hào)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(duì)信號(hào)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(wú)線傳輸方式，如藍(lán)牙、WiFi等，可以將測(cè)量結(jié)果無(wú)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(duì)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(cè)試與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果，將此電子血壓計(jì)與市面上評(píng)價(jià)比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計(jì)分別對(duì)不同的個(gè)體進(jìn)行了測(cè)量。從多組測(cè)量結(jié)果的對(duì)比可以看出，雖然測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，但本血壓計(jì)對(duì)不同的測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)量過(guò)程中，壓力傳感器輸出信號(hào)以及放大、濾波等電路的輸出信號(hào)都可能與真實(shí)值之間存在一些小的差異，因此會(huì)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(cè)量，具有自動(dòng)測(cè)量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(jiǎn)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(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該血壓計(jì)對(duì)不同的測(cè)量者具有良好的個(gè)體適應(yīng)性，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。