基于中穎SH79F164單片機(jī)的電子血壓計(jì)應(yīng)用

基于中穎SH79F164單片機(jī)的電子血壓計(jì)應(yīng)用

　　1.概述：

　　電子血壓計(jì)因具有無創(chuàng)性、操作簡單、攜帶方面等優(yōu)點(diǎn)，目前得到廣泛的應(yīng)用和推廣。無創(chuàng)檢測血壓的方法很多，如柯氏音法，測振法，超聲法、雙袖帶法、恒定袖帶法、逐拍跟蹤法、張力定測法和恒定容積法等。其中測振法就是我們常說的示波法，由于具有較好的抗干擾能力，能比較可靠地判斷血壓、實(shí)現(xiàn)血壓的自動(dòng)檢測而成為無創(chuàng)血壓的主流。目前國內(nèi)外大多數(shù)電子血壓計(jì)都采用示波法。

　　示波法的原理同柯氏音法，也需要充氣袖套來阻斷動(dòng)脈流，但在放氣過程中不是檢測柯氏音，而是檢測氣袖內(nèi)氣體的振蕩波（測振法由此得名），這些振蕩波是袖帶與動(dòng)脈耦合的結(jié)果，源于心血管周期內(nèi)血管壁由于收縮舒張引起的壓力脈動(dòng)。理論計(jì)算和實(shí)踐均證明此振蕩波的幅度有一定的規(guī)律，與動(dòng)脈收縮壓、平均壓以及舒張壓有一定的函數(shù)關(guān)系。

　　針對示波法，本文將詳細(xì)介紹基于中穎電子SH79F164單片機(jī)的血壓計(jì)系統(tǒng)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)。

　　2.硬件設(shè)計(jì)

　　在硬件電路設(shè)計(jì)方面，筆者參考了大量的資料，最終選定SH79F164單片機(jī)作為主控IC。其理由是SH79F164內(nèi)建資源豐富，既能節(jié)省大量外圍器件，又方便系統(tǒng)調(diào)試。SH79F164內(nèi)建資源主要有：可編程儀表放大器(PGA)、帶通濾波器、固定增益放大器、恒流源放大器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)基定時(shí)器(RTC)。

　　硬件部分構(gòu)成：壓力傳感器、SH79F164單片機(jī)、LCD、袖套、充氣泵、放氣閥、按鍵等(見圖3)。

　　2.1.芯片介紹

　　SH79F164是中穎電子專門針對血壓計(jì)應(yīng)用而開發(fā)的增強(qiáng)型單片機(jī)。其整合了低功耗時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期的高速8051可兼容單片機(jī)。在同樣振蕩頻率下，較之傳統(tǒng)的8051芯片它有著運(yùn)行更快速的優(yōu)越特性。

　　SH79F164保留了標(biāo)準(zhǔn)8051芯片的大部分特性。這些特性包括內(nèi)置256字節(jié)RAM和2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)UART和外置中斷INT0、INT1和INT2。

　　SH79F164內(nèi)建16K字節(jié)Flash，F(xiàn)lash區(qū)域除了能保存程序代碼外，還能保存數(shù)據(jù)。因此，能通過程序?qū)崿F(xiàn)用戶采集到的血壓歷史記錄數(shù)據(jù)保存在Flash區(qū)域，不用外接EEPROM來保存歷史記錄與標(biāo)定初值,節(jié)省硬件成本。

　　SH79F164不僅集成了如EUART標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，此外還集成了LCD驅(qū)動(dòng)器、具有內(nèi)建比較功能的ADC、可編程增益放大器、運(yùn)算放大器、PWM定時(shí)器和時(shí)基定時(shí)器(RTC)等模塊。

　　為了達(dá)到高可靠性和低功耗，SH79F164內(nèi)建PLL 時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器、低電壓復(fù)位功能?？紤]到血壓計(jì)應(yīng)用SH79F164還提供了2種低功耗省電模式。

　　下圖是SH79F164系統(tǒng)框圖：

　　2.2.電路原理

　　壓力傳感器將用戶袖套的血壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)儀表放大器放大(PGA)后一路直接送A/D轉(zhuǎn)換器得到袖套內(nèi)絕對壓力值（見圖1），另一路送到由OP2和OP3組成的帶通濾波器、固定增益放大器，提取脈搏信號(hào)（見圖2）。

　　由內(nèi)建OP2和OP3組成的帶通濾波器其目的是濾掉直流成分，以及濾掉人體與袖帶摩擦的高頻噪聲和50Hz工頻噪聲、電路噪聲、PUMP與氣閥噪聲等，使軟件能準(zhǔn)確地提取脈搏振動(dòng)波。

　　內(nèi)建OP1構(gòu)成恒流源為壓力傳感器提供恒定電流，根據(jù)傳感器規(guī)格及實(shí)際應(yīng)用，OP1輸出的恒定選擇在0.3mA～1mA。

　　內(nèi)建可編程儀表放大器（PGA），主要特定是具有高輸入阻抗而不會(huì)對sensor的恒流電路產(chǎn)生影響，同時(shí)又能保證對小信號(hào)放大的高增益性。儀表放大器包含兩個(gè)部分的可編程增益，總計(jì)可編程增益為64檔，其中PGA1的編程增益范圍：16倍、32倍、64倍、128倍，PGA2的編程增益范圍：1.33倍～2.58倍。如需要調(diào)整輸出范圍可分別通過：VREF1及VREF2兩個(gè)偏置電壓實(shí)現(xiàn)。

　　通過IC內(nèi)建資源，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)標(biāo)定初始化，不用人工調(diào)節(jié)外圍電路，方便批量生產(chǎn)。

　　下圖為系統(tǒng)前端小信號(hào)放大電路：

　　2.3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　采用SH79F164增強(qiáng)型單片機(jī)為核心，執(zhí)行速度比傳統(tǒng)8051快10倍左右主控芯片F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器空間大：16Kbyte，內(nèi)建EEPROM功能系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式12uA、掉電模式1uA主控芯片內(nèi)建RTC模塊，記錄實(shí)時(shí)時(shí)鐘主控芯片內(nèi)建儀表放大器(PGA)、帶通濾波器、固定增益放大器、恒流源OP血壓計(jì)出廠標(biāo)定程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不用人工調(diào)節(jié)外圍電路內(nèi)建喚醒電路，省電模式下可用于關(guān)閉DC/DC器件精減外圍器件，器件構(gòu)成：SH79F164+Sensor+電阻電容。

?????? 2.4.系統(tǒng)框圖

　　壓力傳感器輸出的信號(hào)直接連接到SH79F164單片機(jī)，由芯片內(nèi)建資源完成放大、濾波、采集處理，外圍器件極少(圖6)。

　　圖7為筆者所整理的傳統(tǒng)電子血壓計(jì)系統(tǒng)框圖，由圖可知，外圍器件繁多，不便于生產(chǎn)、調(diào)試，而且系統(tǒng)成本高。

　3.軟件設(shè)計(jì)

　　3.1.軟件算法

　　就示波法而言，其方法都是在平均壓的基礎(chǔ)上判定收縮壓和舒張壓，比較典型的方法有兩種：比例法和S判別法。目前市場上大多數(shù)電子血壓計(jì)都使用這兩種算法計(jì)算血壓值。本文采用S判別法計(jì)算收縮壓和舒張壓。

　　3.2.軟件濾波

　　常用的軟件濾波方法有許多，如：限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、一階低通濾波法等。本文對壓力信號(hào)采用限幅濾波法濾除異常的抖動(dòng)，對脈搏信號(hào)采用二階低通濾波算法再次濾除50Hz工頻干擾，對心率信號(hào)計(jì)算采用中位值平均濾波法。

　　3.3.系統(tǒng)標(biāo)定

　　由于SH79F164內(nèi)建PGA和濾波電路，對增益及偏置電壓能通過內(nèi)部寄存器來設(shè)置。因此，傳感器offset校正、壓力曲線范圍調(diào)節(jié)、零點(diǎn)與滿幅點(diǎn)初值確定都能軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)標(biāo)定主要特點(diǎn)為：

　?。?）.程序自動(dòng)標(biāo)定，無需人工調(diào)節(jié)電位器，按鍵三次即完成標(biāo)定

　?。?）.程序總標(biāo)定時(shí)間小于10ms（不包括充氣及工人按鍵時(shí)間）

　?。?）.程序自動(dòng)標(biāo)定sensor offset

　?。?）.最大校準(zhǔn)零點(diǎn)偏移：±30mV，常用sensor小于±20mV

　?。?）.最大輸入量程：120mV，300mmHg壓力對應(yīng)30mV左右

　?。?）.自動(dòng)確認(rèn)零點(diǎn)值與滿幅值

　　系統(tǒng)標(biāo)定初始化分三個(gè)步驟：

　　第一步：零點(diǎn)標(biāo)定(見圖8)。零點(diǎn)標(biāo)定的目的是保證輸入信號(hào)在PGA的有效范圍內(nèi)，以及不同傳感器的offset值能有效標(biāo)定。

　　第二步：滿幅標(biāo)定(見圖9)。滿幅標(biāo)定的目的是調(diào)節(jié)絕對壓力信號(hào)的輸出斜率，保證系統(tǒng)壓力值檢測精度。

　　第三步：零點(diǎn)確認(rèn)(見圖10)。本步驟的目的是修正壓力曲線的斜率，以及確認(rèn)之前調(diào)節(jié)過的參數(shù)設(shè)置。

　　3.4.程序流程

?????? 按鍵檢測充氣開始ON / OFF電源開關(guān)鍵ONOFF壓力閥值檢測YesNo停止充氣袖套開始放氣檢測壓力檢測脈搏峰值保存峰值與袖帶壓力值結(jié)束檢測完成根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示: 收縮壓,舒張壓,心率進(jìn)入自動(dòng)標(biāo)定程序系統(tǒng)標(biāo)定按鍵YesNo標(biāo)定完成系統(tǒng)復(fù)位判斷標(biāo)志位確定是否已做標(biāo)定NoYes第一步: 零點(diǎn)標(biāo)定第二步: 滿幅標(biāo)定第三步: 零點(diǎn)確認(rèn)

　　4.結(jié)束語

　　本文給出了基于中穎電子SH79F164單片機(jī)為核心的電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案，充分利用了該芯片內(nèi)建的功能模塊，具備電路簡單、低功耗、精度高以及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較高的設(shè)計(jì)參考價(jià)值，可供電子愛好者或業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)人員參考。