系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) - MN101EF32D單片機(jī)實(shí)現(xiàn)示波法測(cè)量血壓

　　軟件的主要流程如下：

　　上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化工作。單片機(jī)開(kāi)始給氣泵供電，讓袖帶迅速充氣至被測(cè)者收縮壓以上約30mmHg左右。之后單片機(jī)通過(guò)1路A/D開(kāi)始采集袖帶的氣壓，并根據(jù)袖帶內(nèi)氣壓下降的速度來(lái)控制排氣閥排氣，使袖帶內(nèi)勻速降壓(3~5mmHg /s)。與此同時(shí)，另外1路A/D開(kāi)始采集經(jīng)過(guò)隔直的脈搏波。當(dāng)脈搏波的振幅最大時(shí)，袖帶的壓力就是動(dòng)脈的平均壓。動(dòng)脈的收縮壓對(duì)應(yīng)于振幅包絡(luò)線(xiàn)的第一個(gè)拐點(diǎn)，舒張壓對(duì)應(yīng)于包絡(luò)線(xiàn)的第二個(gè)拐點(diǎn)。

　　軟件主要細(xì)分為以下3個(gè)重要模塊：

　　一)勻速降壓控制模塊

　　盡管氣閥有自動(dòng)緩慢放氣的特點(diǎn)，但為了使袖帶迅速充氣至被測(cè)者收縮壓以上30mmHg左右后勻速降壓(3~5mmHg /s)，而不能用普通的處理方法，因?yàn)檎麄€(gè)測(cè)量過(guò)程中容易受到外界震動(dòng)的影響，如人為的震動(dòng)袖帶、氣管的震動(dòng)、人的身體運(yùn)動(dòng)等，另外氣管的剛性度也會(huì)影響到袖帶內(nèi)氣壓微弱的變化。所以袖帶內(nèi)的壓力降低的速度與氣閥開(kāi)關(guān)的頻率為非線(xiàn)形關(guān)系。

　　本設(shè)計(jì)采用了PID算法來(lái)控制氣閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)確保袖帶以3~5mmHg /s的速度勻速降壓。受到單片機(jī)的處理速度和RAM資源的限制，這里不采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，最后再除以2N(相當(dāng)于移位)，作類(lèi)似定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，可大大提高運(yùn)算速度。最終賦值給定時(shí)器，來(lái)控制氣閥的開(kāi)啟時(shí)間，從而保證降壓的速度恒定。

　　在PID算法中三個(gè)基本的參數(shù)Kp、Ki、Kd的設(shè)定與調(diào)整是比較難的部分，根據(jù)這些參數(shù)的作用原理，總結(jié)調(diào)整方法大致如下：

　　1、壓力很快就降到目標(biāo)值，但壓力降的太多：

　　a)比例系數(shù)太大;

　　b)微分系數(shù)過(guò)小;

　　2、壓力下降達(dá)不到目標(biāo)值：

　　a)比例系數(shù)過(guò)小;

　　b)積分系數(shù)過(guò)小;

　　3、基本上能夠控制在目標(biāo)上，但上下偏差較大，且經(jīng)常波動(dòng)

　　a)微分系數(shù)過(guò)小;

　　b)積分系數(shù)過(guò)大;

　　二)信號(hào)處理模塊

　　本血壓計(jì)測(cè)量信號(hào)為2路，MPS-3100-006G壓力傳感器的信號(hào)首先進(jìn)行低通濾波處理，排除因外界干擾造成的信號(hào)讀數(shù)的誤差，之后放大送AD1，作為靜態(tài)血壓信號(hào);隔直后經(jīng)再次放大送AD2，作為脈搏波信號(hào)。由于MN101EF32D的A/D為10位，因此最高精度可達(dá)1/1024。為了最大限度地利用A/D轉(zhuǎn)換的采樣速度，用中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢，在中斷程序中，用防脈沖干擾移動(dòng)平均值法來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的數(shù)字濾波，使測(cè)量更加準(zhǔn)確。具體做法為在一次定時(shí)中斷內(nèi)連續(xù)進(jìn)行5次A/D轉(zhuǎn)換，去掉最大值和最小值，剩余3個(gè)數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值作為此次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　三)計(jì)算血壓模塊

　　袖帶氣壓和脈搏波經(jīng)信號(hào)處理模塊的處理后，得出如圖6所示的數(shù)據(jù)。圖中的下方為被測(cè)者的脈搏波，上方為血壓計(jì)升壓和壓降過(guò)程中的袖帶壓力。在此基礎(chǔ)上分析信號(hào)，供收縮壓、舒張壓、平均壓和心率的計(jì)算。單片機(jī)在測(cè)量過(guò)程中已經(jīng)存儲(chǔ)各個(gè)脈搏波的峰值，以及每個(gè)脈搏波的間隔時(shí)間。

?

　　收縮壓判據(jù)的確定采用最大振幅法，即在放氣過(guò)程中脈搏波幅度包絡(luò)線(xiàn)的上升段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um(平均壓)之比剛剛大于Ks時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為收縮壓。

　　Ps=P/Ui=Ks*Um

　　舒張壓判據(jù)的確定也是用最大振幅法來(lái)判定的，不過(guò)是在脈搏波幅度包絡(luò)線(xiàn)的下降段，當(dāng)某一個(gè)脈搏波的幅度Ui與最大幅度Um(平均壓)之比剛剛小于Kd時(shí)，就認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣袖壓力為舒張壓。

　　Pd=P/Ui=Kd*Um

　　先用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)Ks = 0.54和Kd = 0.72來(lái)計(jì)算，經(jīng)測(cè)試后再進(jìn)行修正。

　　心率即為脈搏波的周期，具體也為算術(shù)平均值做法。

　　結(jié)論

　　基于MN101EF32D單片機(jī)的血壓計(jì)，充分利用了該芯片本身的功能，具備電路簡(jiǎn)單、功耗低、電源要求單一、精度高以及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的市場(chǎng)前景。