吳迪，趙琢，陳逢

（威海威高醫(yī)療影像科技有限公司，山東 威海 264210）

0 引言

血壓是最常用、最重要的醫(yī)學(xué)生理指標(biāo)之一，健康的血壓是維持人體正常新陳代謝必不可少的條件[1]，定期進(jìn)行血壓測(cè)量和科學(xué)管理已成為醫(yī)學(xué)界防治高血壓的共識(shí)[2]。血壓計(jì)是各級(jí)醫(yī)院必備的醫(yī)療設(shè)備，同時(shí)，越來越多的電子血壓計(jì)走進(jìn)家庭，測(cè)量血壓逐漸成為一種健康的生活習(xí)慣[3]。

現(xiàn)有電子血壓計(jì)由主機(jī)、袖帶和氣路構(gòu)成。主機(jī)通常由微控制器、壓力傳感器、信號(hào)處理電路、充氣泵、放氣閥、泄壓閥、顯示屏、按鍵等組成。這種架構(gòu)下，一旦關(guān)鍵器件出現(xiàn)故障，氣路會(huì)長時(shí)間保持高壓，袖帶壓迫上臂動(dòng)脈，血流不通暢，嚴(yán)重時(shí)可能造成瘀血和組織缺氧，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

本設(shè)計(jì)是一種高安全性智能血壓計(jì)，涉及到氣路壓力的關(guān)鍵器件壓力傳感器和放氣閥都采用雙路設(shè)計(jì)。雙路器件之間相互監(jiān)控，如果其中一路發(fā)生故障，系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到，并立即處理和報(bào)警。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，極大降低了導(dǎo)致淤血和組織缺氧的風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)由微控制器、雙路壓力傳感器、信號(hào)處理電路、充氣泵、雙路放氣閥、顯示屏、藍(lán)牙模塊、按鍵和鋰電池組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，微控制器為系統(tǒng)核心，采用高性能的STM32處理器，用于讀取壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、控制充氣泵和放氣閥執(zhí)行動(dòng)作、響應(yīng)按鍵指令、驅(qū)動(dòng)顯示屏和控制藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)傳輸。壓力傳感器采用雙路數(shù)字式壓力傳感器，用于采集氣路中的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，并通過SPI接口與微控制器通信，傳輸數(shù)據(jù)和獲取控制信息。充氣泵采用回轉(zhuǎn)式直流隔膜泵，在微控制器的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路的充氣加壓。放氣閥采用雙路電磁閥，在微控制器的控制下執(zhí)行打開或關(guān)閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路的放氣和泄壓。顯示部分采用液晶顯示屏（LCD），可顯示收縮壓、舒張壓、脈率和時(shí)間等信息，并有屏幕控制菜單（OSD）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。按鍵部分作為人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)機(jī)和操作命令輸入。藍(lán)牙模塊采用BLE 4.2版本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的藍(lán)牙傳輸功能。系統(tǒng)供電電源采用3.7V/5000mAh的18650電池組，并可通過USB接口為電池組充電。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

本設(shè)計(jì)中的微控制器芯片選用STM32F405VG，它是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的32位單片機(jī)，最高工作頻率可達(dá)168 MHz。內(nèi)置1 MB閃存和192+4 KB的RAM，包含82路GPIO，17個(gè)定時(shí)器，3路12位ADC，15組包括I2C、SPI、UART和SDIO在內(nèi)的通信接口。并且具有支持LCD并行接口的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（FSMC），方便連接顯示屏。其處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，接口豐富，適合高性能的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其LQFP100的封裝也便于調(diào)試。

2.2 電源管理

系統(tǒng)供電電源采用兩節(jié)18650電池并聯(lián)的電池組，具有3.7V輸出電壓、5000mAh的容量。充電口為廣泛應(yīng)用的USB Type C端口。為了使鋰電池在充電的同時(shí)也能夠?yàn)橄到y(tǒng)供電，需要選擇具有電源路徑管理功能的充電芯片。本設(shè)計(jì)采用BQ24075芯片，其集成了鋰離子電池線性充電和電源路徑管理功能，適合USB端口或者適配器充電，最高支持1.5A的充電電流。其具有的動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM）功能，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流和供電電流的分配，在保證系統(tǒng)供電的同時(shí)也能有效減少電池充電次數(shù)，延長電池壽命。電源管理電路如圖2所示。

圖2 電源管理電路圖

通過ILIM引腳可以設(shè)置輸入電流上限，R9選用1.18K歐姆電阻接地，實(shí)現(xiàn)最大1.3A輸入電流。通過ISET引腳可以設(shè)置恒流充電過程中的電流值，R11選用887歐姆電阻接地，實(shí)現(xiàn)1A即0.2C的恒流充電。通過TMR引腳可以設(shè)置預(yù)充電和恒流充電過程的安全計(jì)時(shí)器，R6選用46.4KΩ電阻接地，實(shí)現(xiàn)6.25h的安全計(jì)時(shí)。#PGOOD表示接入有效充電電源，#CHG表示充電進(jìn)行中，兩者都是開漏極輸出，通過發(fā)光二極管和限流電阻上拉到3.3V，并且同時(shí)接入STM32的IO口，實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)指示和狀態(tài)信息輸出。

2.3 壓力傳感器電路

壓力傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)壓力傳感器電路設(shè)計(jì)中的外部電路較多、較復(fù)雜，調(diào)節(jié)模擬電路較為繁瑣[5]。本系統(tǒng)選用數(shù)字壓力傳感器MMR901XA，在緊湊的封裝中集成了驅(qū)動(dòng)電路、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，從而簡化了外部電路設(shè)計(jì)。它具有16位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置溫度傳感器和寫有溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)的EEPROM，用于校正環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的誤差；具備SPI數(shù)字接口，用于和微控制器通信。其壓力測(cè)量范圍0～40kPa(300mmHg)，測(cè)量精度±266Pa(±2mmHg)，轉(zhuǎn)換時(shí)間5.12ms，滿足血壓計(jì)設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)采用了雙路壓力傳感器設(shè)計(jì)，其中一路的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 壓力傳感器電路圖

2.4 充氣泵和放氣閥電路

充氣泵和放氣閥是系統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別用于給氣路加壓和泄壓。充氣泵選用KPM12C，放氣閥選用電磁閥KSV15C，采用脈寬調(diào)制（PWM）的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)充、放氣速率的控制。充氣泵和放氣閥的控制電路如圖4所示。STM32的IO口輸出PWM信號(hào)，經(jīng)第一級(jí)三極管V3或V5反向后控制第二級(jí)功率三極管V2或V4，從而控制充氣泵和放氣閥的開關(guān)狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)速率的控制。

圖4 充氣泵和放氣閥控制電路圖

充氣泵和放氣閥是感性負(fù)載，在其打開和關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。為了及時(shí)釋放感應(yīng)電流，使用二極管D2和D3構(gòu)成電流釋放通路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.5 顯示屏電路

顯示屏用于顯示測(cè)量出的收縮壓、舒張壓和脈率，也顯示時(shí)間、電池狀態(tài)和用戶信息。此外，還可以顯示控制菜單，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置。

系統(tǒng)采用LCD液晶屏，分辨率為256*160，可顯示4級(jí)灰度，驅(qū)動(dòng)芯片為ST75256，支持并行傳輸、4線串行傳輸和I2C傳輸?？紤]到STM32接口豐富，選擇傳輸速率較快的并行接口D0～D7進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其他信號(hào)還包括片選信號(hào)（CS）、指令/數(shù)據(jù)寄存器選擇信號(hào)（RS）、使能信號(hào)（EN）、讀/寫信號(hào)（WR）、復(fù)位信號(hào)（RST）[6]。背光源由6顆LED組成，每顆LED驅(qū)動(dòng)電流為20mA，顯示屏和背光源均由3.3V電壓供電。

2.6 藍(lán)牙模塊電路

藍(lán)牙模塊采用BLE 4.2版本，當(dāng)主設(shè)備建立與系統(tǒng)的通信后，可以實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)采用低功耗藍(lán)牙透?jìng)髂KRF-BM-4044B3，STM32端僅需使用UART接口，即可通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。模塊工作頻段2.4GHz，采用高斯頻移鍵控（GFSK）的調(diào)制方式，40頻道最高2MHz的通道間隙能更好地防止相鄰頻道的干擾[7]。具備-21dBm～+2dBm寬輸出功率調(diào)節(jié)，-97dBm高增益接收靈敏度。整體具有功耗低、連接速度快、有效通信距離長的特點(diǎn)。藍(lán)牙模塊的接口電路如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙模塊接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序的流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電初始化后，STM32檢測(cè)測(cè)量命令是否輸入，即開機(jī)/測(cè)量按鍵是否被按下。如果按下，STM32通過IO口輸出控制信號(hào)，充氣泵開始工作，給氣路充氣加壓。傳感器高安全性檢測(cè)程序執(zhí)行，用來監(jiān)測(cè)傳感器是否有故障發(fā)生。隨著壓力增大，當(dāng)傳感器檢測(cè)到壓力大于200mmHg時(shí)，STM32通過控制IO口輸出信號(hào)，打開放氣閥，氣路開始慢速放氣，系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)獲取和數(shù)據(jù)分析。放氣閥打開后，放氣閥高安全性檢測(cè)程序執(zhí)行，用來監(jiān)測(cè)放氣閥是否有故障發(fā)生。隨著壓力減小，當(dāng)傳感器檢測(cè)到壓力小于40mmHg時(shí)，進(jìn)入快速放氣階段。系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，得出收縮壓、舒張壓和脈率，并在顯示屏上顯示。同時(shí)STM32將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，主程序流程結(jié)束。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 傳感器高安全性檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具有高安全性設(shè)計(jì)，具體體現(xiàn)在設(shè)計(jì)了傳感器高安全性檢測(cè)程序和放氣閥高安全性檢測(cè)程序。傳感器高安全性檢測(cè)程序的流程圖如圖7所示。程序啟動(dòng)后，雙路壓力傳感器同時(shí)測(cè)量氣路壓力，然后計(jì)算兩者的差值，并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值相比較。如果差值小于閾值，表明壓力傳感器無故障，程序結(jié)束；如果差值大于閾值，表明其中一路傳感器存在故障，STM32通過IO口控制放氣閥快速放氣，釋放氣路壓力，保證壓力安全。同時(shí)顯示故障報(bào)警信息。

圖7 傳感器高安全性檢測(cè)程序流程圖

3.3 放氣閥高安全性檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

放氣閥高安全性檢測(cè)程序的流程圖如圖8所示。程序啟動(dòng)后，定時(shí)器啟動(dòng)，同時(shí)測(cè)量一次壓力，定時(shí)器計(jì)時(shí)到一定周期后，再次測(cè)量一次壓力。計(jì)算兩次壓力差值與定時(shí)周期的比值即壓力變化率，并與閾值比較。如果前者大于后者，表明放氣閥無故障，程序結(jié)束；如果前者小于后者，表明放氣閥存在故障，STM32控制雙路放氣閥快速放氣，釋放氣路壓力，保證壓力安全。同時(shí)顯示故障報(bào)警信息。

圖8 放氣閥高安全性檢測(cè)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

采用Fluke ProSim8生命體征模擬器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。模擬器端選擇無創(chuàng)血壓通道，信號(hào)類型設(shè)置為成人，根據(jù)血壓的范圍，選取3組收縮壓/舒張壓信號(hào)源，分別進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，測(cè)量的最大誤差為2mmHg，小于3mmHg的設(shè)計(jì)要求。在每一組壓力測(cè)試點(diǎn)，重復(fù)測(cè)量10次的極差為3mmHg，小于4mmHg的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性較好。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

本系統(tǒng)基于高安全性的理念，采用STM32作為控制核心，設(shè)計(jì)具有雙路壓力傳感器和雙路放氣閥的智能血壓計(jì)，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警。系統(tǒng)采用數(shù)字式壓力傳感器，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比，減少了信號(hào)濾波和放大電路，受環(huán)境溫度影響小，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在保證高安全性的同時(shí)，也使設(shè)計(jì)變得簡潔。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性較好，符合設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。后續(xù)可以給基于STM32的高安全性智能血壓計(jì)擴(kuò)展功能，例如增加5G通信模塊、數(shù)據(jù)上云、與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)等，這些功能都可以在此平臺(tái)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)。