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(cè)血壓的方法很多，如柯氏音法，測(cè)振法，超聲法、雙袖帶法、恒定袖帶法、逐拍跟蹤法、張力定測(cè)法和恒定容積法等。其中測(cè)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(cè)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(cè)柯氏音，而是檢測(cè)氣袖內(nèi)氣體的振蕩波（測(cè)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(duì)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(duì)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。考慮到血壓計(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(duì)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(duì)sensor的恒流電路產(chǎn)生影響，同時(shí)又能保證對(duì)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(chǎng)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(duì)壓力信號(hào)采用限幅濾波法濾除異常的抖動(dòng)，對(duì)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(duì)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(duì)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）

　　（3）.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(duì)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(duì)壓力信號(hào)的輸出斜率，保證系統(tǒng)壓力值檢測(cè)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(cè)充氣開始ON / OFF電源開關(guān)鍵ONOFF壓力閥值檢測(cè)YesNo停止充氣袖套開始放氣檢測(cè)壓力檢測(cè)脈搏峰值保存峰值與袖帶壓力值結(jié)束檢測(cè)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。