隨著便攜式醫(yī)療器械的普及,，其中常用的有電子血壓計。但是市面上的同類產(chǎn)品只能適用于偶測血壓,，針對一些疾病的確診需要24小時監(jiān)測病人的動態(tài)血壓,，此類產(chǎn)品就無法滿足需要。加之對于一個家庭或者一個病人,，經(jīng)常需要偶測血壓,，但是有時也需要監(jiān)測24小時動態(tài)血壓，如果單獨為了滿足監(jiān)測動態(tài)血壓市場的需要而生產(chǎn)動態(tài)血壓計,，資源勢必有些浪費,?；谏鲜鲂枨螅鶕?jù)市場上電子血壓計的基本原理,，提出了一種既能監(jiān)測動態(tài)血壓又能偶測血壓的便攜式電子血壓計的設計思路,。
1 設計理論
1．1 血壓測量和24小時動態(tài)血壓監(jiān)測
目前，一般醫(yī)院使用水銀血壓計測量血壓,，醫(yī)生可以用聽診器聽到動脈血管的不同聲音,，來判斷收縮壓和舒張壓的值，這就是柯氏音法,；而國內(nèi)外大多數(shù)電子血壓計普遍采用的是示波法,。關于示波法的測量原理參見文獻。
通常人們所測得的血壓均屬偶測血壓(Clinic Bloodpressure,，CBP),。偶測血壓存在較大的局限性，它只能代表被測者當時的血壓狀況,，有的人在測量時由于心情緊張或情緒波動造成血壓讀數(shù)偏高,。動態(tài)血壓監(jiān)測(Ambulatory Bloodpressure Monitoring，ABPM)是一種全天24小時每隔15～30 min或任選時間間隔進行的自動的無創(chuàng)性血壓測量及記錄方法,。人體典型血壓的晝夜節(jié)律變化呈“雙峰一谷”,，即清晨醒后血壓逐漸升高,，在上午6：00～8：00出現(xiàn)第1個高峰,，此后血壓趨于平穩(wěn)，下午4：00～6：00出現(xiàn)第2個高峰,，夜間進入睡眠后,，血壓逐漸下降，夜間2：00～3：00降至最低,。血壓的晝夜節(jié)律是否正常是判斷高血壓病情嚴重程度的良好指標,，而動態(tài)血壓監(jiān)測能夠反映患者全天的血壓波動水平和趨勢，對高血壓和心血管功能的評估提供極有價值的信息,。
1．2 總體方案設計
動態(tài)血壓監(jiān)測,，是在原有電子血壓計的基礎上，增加新的功能：自動控制血壓計定時地使袖套充氣和排氣,；能夠調(diào)整自動測量血壓的時間間隔,，一般設定為每隔15～30 min記錄1次，為了盡可能少地干擾患者日?；顒雍鸵归g睡眠,，可根據(jù)實際需要調(diào)整時間間隔，如白天每隔30 min記錄1次,，夜間比白天記錄時間間隔適當延長些,，可設定為每隔60 min記錄1次,；能自動定時顯示收縮壓、舒張壓,、平均動脈壓和脈率,；增加RS-232串口通訊，方便在電腦軟件平臺上顯示動態(tài)血壓曲線,；任何時候只要按下START按鈕,，馬上啟動加測，并能夠在測量失敗后自動補測,；4節(jié)5號標準堿性干電池(1．5 V／每節(jié))供電,，低電壓自動報警提示，更換電池后從斷點起測等,。
該裝置總體框圖,，如圖l所示，由微控制器控制氣泵向袖帶內(nèi)充氣至一定壓力值(如180 mmHg),，確保超過收縮壓,，使血流阻斷，然后控制氣閥以3～5 mmHg的速率階梯式放氣,。在放氣過程中,，壓力傳感器將袖帶內(nèi)壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過低通濾波器濾波,，得到袖帶的靜壓力信號和十分微弱的脈搏信號,，一路送往單片機ADC0引腳，用以轉(zhuǎn)換袖帶靜壓力信號(微弱脈搏振蕩信號可以忽略)成血壓值,；另一路經(jīng)過高通濾波器濾波,，得到脈搏振蕩信號后，經(jīng)過放大器放大分別送到單片機ADCl和AINl引腳,，用以測量脈搏振蕩信號幅度和經(jīng)過比較器得到標準的脈沖信號來計算脈率,，當檢測到收縮壓、平均壓和舒張壓后,，打開氣閥,，使袖套全部放氣，完成一次測量過程,，并把測量結(jié)果保存,、顯示。整個測量過程由微控制器控制并完成各種計算,?？驁D中的主要部分在下文中將分別詳細介紹。
2 系統(tǒng)硬件電路的設計
2．1 模擬電路
2．1．1信號采集單元
血壓的測量范圍一般是0～200 mmHg,，本文選擇Motorola公司的硅壓力傳感器MPX5050GP,，其內(nèi)部含有溫度補償和放大器輸出功能,，可以直接與單片機接口相連，使用十分方便,。MPX5050GP壓力傳感器具有如下特點：
(1)在0°C到85°C范圍的最大誤差為2．5％,；
(2)溫度補償范圍：-40～+125℃；
(3)壓力測量范圍：O～50 kPa(0～375 mmHg),；
(4)供電電壓：5 V(4．75～5．25),；
(5)滿量程輸出：4．7 V；
(6)零位偏壓電壓：0．2 V,；
(7)靈敏度：90 mV／kPa,，反應時間1．0 ms。
本設計采用的單片機A／D轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓為AVCC電源電壓5 V,，而MPX5050GP壓力輸出為0～4．7 V,，對應的血壓值為0～375 mmHg，則5 V滿量程對應的血壓值約為399 mmHg(由375×5／4．7計算可得),。由于A／D轉(zhuǎn)換器為10位,，則1LSB所對應的血壓值約為0．4 mmHg(由399／210計算可得)，根據(jù)這樣計算所造成的滿刻度誤差為(0．4×210-399)／1 024～1．04％,，完全能滿足設計需要,。
2．1．2 模擬信號調(diào)理電路的設計
TLC2274是一款軌到軌通用四運放，具有高輸入阻抗,，高共模抑制比,、低輸入偏置電流、低溫漂,、低噪音等優(yōu)良性能,，并具有較高的電流驅(qū)動能力(±50 mA)，適合于A／D轉(zhuǎn)換這一類的接口電路,。TLC2274-1構(gòu)成40 Hz二階低通巴特沃思濾波器，運放接成跟隨器,，放大倍數(shù)為1,，信號由運放同相端輸入，接成壓控電壓型(VCVS)濾波器,。巴特沃思濾波器的最小條件是
中C3總是取最大的電容,，通過換算確定R，以使c3=1μF,，則R3=R4=R=5．63 kΩ,，取特征值5．6 kΩ，C4=0．5μF,。經(jīng)過低通濾波器得到的直流信號一路送往ATmegal6的PA0(ADC0)引腳,，另一路送到高通濾波器繼續(xù)提取微弱的脈搏振蕩信號,。電路如圖2所示。
C7和R7又構(gòu)成了0．4 Hz一階高通濾波器,，TLC2274-3構(gòu)成反相放大器,，閉環(huán)放大倍數(shù)KF1可以調(diào)節(jié)到3．75倍。
TLC2274-4構(gòu)成加法器,，用來對脈搏信號進行相位和基線的調(diào)整,，電路采取反相放大接法，增益KF2可達40倍,，加上上一級放大器KF1,，總增益KF=KF1*KF2=150，得到放大的脈搏振蕩信號即血壓交流成分送到單片機PAl(ADCl)和PB3(AINl)端進行處理,。
2．1．3 氣閥和氣泵控制電路的設計
充,、放氣裝置利用單片機控制直流電機和氣閥的動作，當單片機引腳輸出高電平時,，氣泵和氣閥立即工作,；輸出低電平時氣泵和氣閥立即停止工作。由于選用的megal6單片機I／O引腳只能提供輸出20 mA的電流,，直流電機和電磁閥的額定電流都達幾百毫安,，因此選用集電極電流2 A、基極電流50 mA的TIPll2達林頓晶體管進行驅(qū)動,，如圖4所示,。通過控制TIPll2的基極電平，實現(xiàn)袖帶的充氣和放氣,。由于氣閥和氣泵內(nèi)部有線圈,，屬于感性負載，需用續(xù)流二極管D1,，D2以防止燒毀器件,。放氣采用單片機的PWM輸出實現(xiàn)控制氣閥階梯放氣。采用常開氣閥,，系統(tǒng)復位時自動放氣,，避免氣閥損壞時出現(xiàn)危險。
2．2 數(shù)字電路
系統(tǒng)的數(shù)字電路單元以單片機為核心,，完成A／D轉(zhuǎn)換,、充放氣控制、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳送的任務,。綜合各方面考慮,，選用了AVR單片機ATmegal6作為主控制器，它內(nèi)置模擬比較器和八路10位ADC，21個各種類型的內(nèi)外部中斷源,，3個內(nèi)部定時器／計數(shù)器(包括捕獲功能),，以及UART，SPI,，TWI等豐富的總線資源,；外圍器件采用DSl302時鐘芯片、AT24C256存儲芯片和通過MAX232電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)與上位PC機的數(shù)據(jù)傳送,；同時具有JMl2864M漢字圖形點陣液晶顯示,、鍵盤、蜂鳴器等人機接口器件,，如圖5所示,。
為了實現(xiàn)電池供電系統(tǒng)檢測到電池電量低時自動鳴響蜂鳴器報警和在液晶上提示電量不足，本設計采用專用看門狗芯片MAX813L,，MAX8-13L不僅可監(jiān)控微控制器,，而且在系統(tǒng)加電、斷電和電壓降到復位門限值(電壓降至4．65 V,，PFI引腳門檻電壓為1．25 V)時,，輸出復位信號和中斷信號。
按鍵設有SET,，UP,，DOWN，START,，AUTO鍵,，分別用以設置時鐘、動態(tài)監(jiān)測開／關及時間間隔設置,、上下時間調(diào)整／歷史記錄查閱,、啟動檢測血壓和啟動動態(tài)血壓自動監(jiān)測。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件包括采集信號處理程序,，串口驅(qū)動程序,，氣泵氣閥驅(qū)動與控制程序、時鐘,、存儲,、顯示器及鍵盤、蜂鳴器等相關的接口程序的設計,。系統(tǒng)軟件總體框圖如圖6所示。
3．1 采集和信號處理
本系統(tǒng)采用ATmegal6內(nèi)部集成的10位的逐次逼近型ADC和7．372 8 MHz外部晶振,，根據(jù)Nyquist采樣定理,，采樣頻率應大于等于被采樣信號最高頻率的兩倍，以免采樣后的信號發(fā)生頻譜的混疊。同時考慮到選用的氣泵,、氣閥有自動緩慢放氣的特點,，將采樣頻率設置為200 Hz、選擇AVCC作為ADC的參考電平,，轉(zhuǎn)換結(jié)果為ADC=(VIN×1 024)／VREF,。ADC模塊的工作時鐘由系統(tǒng)時鐘經(jīng)過128分頻提供，轉(zhuǎn)換周期由T／C0定時控制,，定時器T／CO的時鐘源采用系統(tǒng)時鐘1 024分頻,，運行于普通模式，因采樣頻率是200 Hz,，則采樣周期是5 000μs,，定時初值TCNT0=
256-7．372 8×5 000／l 024=0 xdc。轉(zhuǎn)換模式選擇自動轉(zhuǎn)換觸發(fā)工作模式,，在定時溢出中斷中運行A／D轉(zhuǎn)換程序,，A1通道轉(zhuǎn)換完成之后，直接改變通道,，開始A0通道轉(zhuǎn)換,。
為了最大限度地利用A／D轉(zhuǎn)換的采樣速率，用中斷實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理,。當A／D轉(zhuǎn)換完成后觸發(fā)中斷,，在嵌套中斷服務程序中，將采樣結(jié)果進行簡單預處理,。由于在信號采集過程中,，經(jīng)常會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象，為避免采集到的是干擾信號,，在一次定時中斷服務子程序中連續(xù)進行4次模數(shù)轉(zhuǎn)換,，得到4個連續(xù)的數(shù)據(jù)，然后進行防脈沖干擾數(shù)字濾波,。在此,，采用簡單有效的均值濾波法，即對4個數(shù)據(jù)進行比較,，去掉最大值和最小值,，然后計算余下的2個數(shù)據(jù)的算術平均值，視該算術平均值為所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果,。這樣即可濾除脈沖干擾又可濾除小的隨機干擾,，使測量更準確。
由于定時器T1具有2個比較匹配寄存器(OCRlA,、OCRlB),，故可通過兩個I／O口PC6,、PC7產(chǎn)生PWM信號分別控制氣泵和氣閥的開關。T／C1是這樣工作的：選擇T／C1的計數(shù)長度為16位,，工作于快速PWM模式,，時鐘源來自系統(tǒng)時鐘經(jīng)過1 024分頻，當定時器T1產(chǎn)生溢出中斷前,，首先比較匹配中斷觸發(fā),，氣閥工作；定時器T1繼續(xù)運行直到溢出,，氣閥停止運行,。改變定時初值TCNTl和OCRlA、OCRlB的值,，可以改變氣閥,、氣泵運行的頻率和輸出脈沖的占空比。為保證測量工作能可靠進行,，應使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)出錯檢測和自動恢復,。
脈搏信號輸入ADC模塊ADCl通道的同時，也被輸入到模擬比較器的負極AINl,，芯片內(nèi)部的固定能隙參考電源1．23 V將代替正極AIN0的輸入,，比較器輸出ACO觸發(fā)定時器T1的輸入捕獲功能，當捕獲到脈沖信號的變化時,，計數(shù)寄存器TCNTl(TCNTlH,，TCNTlL)的值被傳送至輸入捕獲寄存器ICRl，并賦予時間標記以說明該事件的發(fā)生時刻,，從而計算出脈率,。
3．2 數(shù)據(jù)存儲
以單片機為核心的儀表要考慮發(fā)生斷電時的數(shù)據(jù)保存問題，本系統(tǒng)需要保存的數(shù)據(jù)依次為受檢者的收縮壓,、舒張壓,、平均壓、脈率以及時鐘芯片DSl302的月份寄存器,、日期寄存器,、小時寄存器、分鐘寄存器,。前3個參數(shù)每個參數(shù)占2 bit,，脈率等后5個參數(shù)各占l bit，一次測量僅需要11 bit的長度存儲數(shù)據(jù),。
假設白天(am 6：00～pm 10：00)每隔15分鐘測量一次,，共測64次；夜間(pmlO：00～次日am 6：00)每隔60分鐘測量一次,，共測8次,；則一天共測量72次,，需要11×72=792 bit,。加上偶側(cè)血壓記錄值的考慮,，選用容量為32 kB的串行I2C總線E2PROM——AT24C256。AVR的TWI接口是兼容I2C總線的硬件接口,，使用硬件接口編程比軟件模擬簡單,，代碼短，效率也高,。
4 結(jié)束語
設計的便攜式電子血壓計具有成本低,、功耗低、自動化程度高的優(yōu)點,，具有便攜和易操作的特點,，滿足了人性化和連續(xù)監(jiān)測動態(tài)血壓的要求。文中給出了完整的設計方案及詳盡的資料和數(shù)據(jù),。以ATmegal6為控制核心,，輔以壓力傳感器、外圍模擬以及數(shù)字電路,，確保了該血壓計設計的合理性和可行性,。