數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)（第2版）課件：數(shù)據(jù)采集設(shè)備實例-數(shù)字式血壓儀

數(shù)據(jù)采集設(shè)備實例——數(shù)字式血壓儀12.1基于示波法的無創(chuàng)血壓測量原理12.2示波法血壓儀系統(tǒng)設(shè)計12.3血壓儀電路設(shè)計12.4血壓儀軟件設(shè)計

本章將結(jié)合一個具體的實例———數(shù)字式無創(chuàng)血壓測量儀的設(shè)計來進一步介紹計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際設(shè)計。作為基礎(chǔ)知識，本章首先介紹無創(chuàng)血壓測量的原理，然后構(gòu)建數(shù)字血壓測量儀的設(shè)計方案，最后介紹血壓測量儀的軟件和硬件設(shè)計，其中包括微處理器、壓力傳感器、AD采樣芯片和氣泵等關(guān)鍵元件的原理介紹和應(yīng)用方法。通過本章的學(xué)習(xí)，

讀者可以對數(shù)據(jù)采集設(shè)備有更清晰的認(rèn)識。

12.1基于示波法的無創(chuàng)血壓測量原理

12.1.1血壓概述臨床上用得最多的人體壓強信號是動脈血壓、胃壓以及顱內(nèi)壓。其中最重要、最具有代表性的是血壓。心臟的泵血功能、冠狀動脈的血液供應(yīng)狀況、血管的阻力和彈性、全身的血容量及血液的物理狀態(tài)等因素都反映在血壓的指標(biāo)中，可以說血壓是心血管系統(tǒng)狀態(tài)的指示器。

工程上相對于真空(零大氣壓)來測量壓強，所測得的壓強稱為絕對壓強。如果相對于大氣壓進行測量，所測得的壓強則稱為標(biāo)準(zhǔn)壓強。人體血液循環(huán)系統(tǒng)是相對于大氣壓進行測量的，所以是標(biāo)準(zhǔn)壓強，用毫米汞柱(mmHg)表示。

通常人體的主要血壓參數(shù)為高壓和低壓，也就是收縮壓(SystolicBloodPressure，SBP)和舒張壓(DiastolicBloodPressures，

DBP)。心臟收縮時所達到的最高壓力稱為收縮壓，它把血液推進到主動脈，并維持全身血液循環(huán)。心臟舒張時所達到的最低壓力稱為舒張壓，它使血液能回流到右心房。收縮壓和舒張壓的差稱為脈壓差，它表示血壓脈動量，一定程度上反映心臟的收縮能力。血壓波形在一周內(nèi)的積分除以心周期稱為平均壓MeanArterialPressure，

MAP)。通常情況下，平均壓可近似用舒張壓加上1/3的脈壓差來表示。

通常的血壓測量在手臂上進行，所得的血壓稱為臂動脈血壓。健康的成人臂動脈的收縮壓一般在95~140mmHg(12.67~18.67kPa)范圍內(nèi)，平均值為110~120mmHg(14.67~16kPa);正常舒張壓為60~90mmHg(8~12kPa)，平均值為80mmHg(10.67kPa)左右。

人體血壓的個體差異性很大，影響人體血壓的因素很多。每個人的動脈血壓與心輸出量、外周血管阻力、血液的粘滯性、動脈壁的彈性和心率等因素有關(guān)。此外，年齡、氣候、

飲食、情緒等因素也會對血壓造成影響。

12.1.2示波法血壓測量法

血壓測量方法分為有創(chuàng)血壓測量和無創(chuàng)血壓測量。在有創(chuàng)血壓測量中，為了取得血壓值，首先必須刺破血管，然后把導(dǎo)管放在血管或心臟內(nèi)。這一手術(shù)要在X光監(jiān)視下進行，一般限于危重病人或開胸手術(shù)病人。此外，導(dǎo)管室內(nèi)必須裝備有應(yīng)急搶救設(shè)備和無菌環(huán)境，因此測量工作非常麻煩。所以，近一百多年來大家都致力于發(fā)展無創(chuàng)傷間接測量方法。

最常見的血壓測量方法為袖帶式柯氏音法，是1905年俄國醫(yī)生柯諾特柯夫提出的。此方法是在正常的情況下，完全受壓的動脈并不產(chǎn)生任何聲響;只有當(dāng)動脈不完全受阻時才出現(xiàn)聲音，因此可用聲音來確定人體的血壓?？率弦舴m然簡單實用，但其基于人工聽聲音的辦法不利于實現(xiàn)自動化，且人為因素對測量結(jié)果影響較大。下面介紹的示波法是一種

基于儀器的自動化血壓測量方法?，F(xiàn)有大量的數(shù)字血壓儀都是采用示波法進行測量的。

示波法的原理是，把脈搏波和壓強同時記錄在一張圖上，從而檢測出血壓。示波法有各種不同的形式，圖12.1為一種典型的示波法結(jié)構(gòu)框圖。袖帶內(nèi)壓力傳感器檢出壓力信號

并加到壓力放大器，壓力放大器的輸出用標(biāo)準(zhǔn)壓力計標(biāo)定;柯氏音則由柯氏音傳感器檢出，經(jīng)過交流放大后，一起加入壓力放大器。記錄器記下袖帶內(nèi)壓力和柯氏音信號，由記錄器走紙機構(gòu)將所記錄的信號展開(或顯示)。如果充放氣裝置均勻地自動工作，則可得到如圖12.2所示的信號波形。圖12.1示波法血壓測量原理圖12.2示波法袖帶氣壓信號

在圖12.2中，袖帶的壓強由125mmHg逐漸降低到50mmHg以下，這時相對應(yīng)的脈搏壓力波經(jīng)過了一個由小變大、又由大變小的過程。注意脈搏壓力波是相對量，它與袖帶的松緊有關(guān)。脈搏壓力波本身很小，可以用隔直流放大器將脈搏壓力波單獨提取并放大顯示。

幅度最大的脈搏壓力波(圖12.2中的星號位置)對應(yīng)的袖帶壓力為人體平均壓。根據(jù)經(jīng)驗，一般認(rèn)為脈搏壓力波幅(峰谷值)為最大脈搏壓力波幅的0.77倍，且壓強小于MAP的壓強為低壓;而脈搏壓力波幅為最大脈搏壓力波幅的0.48倍，且壓強大于MAP的壓強為高壓。另外，示波法還可以測量人體脈率，也就是根據(jù)脈搏壓力波峰峰值之間的時間得出人體脈搏周期。

這樣，測量儀器只要根據(jù)袖帶的壓強及其對應(yīng)的脈搏壓力波幅度就能統(tǒng)計計算人體的血壓。在應(yīng)用示波法測量血壓時，一般的過程是將袖帶氣壓快速加大一個脈搏壓力波很小

的程度，然后通過慢放氣的過程來測量數(shù)據(jù)。這種方法被稱為充氣測量法，其特點是與傳統(tǒng)柯氏音法測量的物理過程相同。但其包括一個充氣和放氣過程，且充氣時，由于不知道

高壓點的位置，一般會造成過量地打氣，因此測量時間較長。為了提高效率，也可以采用充氣測量的方法，也就是對袖帶逐漸加壓，同時測量數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到符合高壓條件的脈搏壓力波幅后停止測量并放氣。因此充氣測量的過程簡單、效率高，適應(yīng)要求快速測量的場合。

12.2示波法血壓儀系統(tǒng)設(shè)計

12.2.1血壓儀系統(tǒng)構(gòu)建本章所設(shè)計的血壓測量設(shè)備主要包括電路、氣路和軟件部分。其中電路部分包括壓力傳感器、信號放大提取、閥泵控制和微處理器等;氣路部分包括袖帶、氣泵、電磁閥和導(dǎo)管;軟件部分包括微控制器軟件和上位機軟件。作為一個完整的系統(tǒng)，血壓測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖12.3所示。圖12.3血壓測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)

在圖12.3中，上位機軟件負(fù)責(zé)血壓數(shù)據(jù)的顯示和用戶對血壓設(shè)備的控制?？刂菩盘柊y量的啟停、閥泵的運動(設(shè)備檢測時使用)和測量參數(shù)的設(shè)置等。微處理器負(fù)責(zé)對上位機的接口、壓強信號的讀取和處理以及閥泵的控制。

袖帶壓強測量電路從壓力傳感器中獲取袖帶壓強并調(diào)整到AD可以測量的范圍。脈搏波信號放大提取部分提取壓力傳感器中的波動信號并放大到AD可以測量的范圍。微處理

器通過DA控制氣泵的轉(zhuǎn)速，通過IO口控制電磁閥的開關(guān)。

12.2.2設(shè)備抗干擾性設(shè)計

對于數(shù)據(jù)采集類的電子設(shè)備，信號的完整性很重要。由于血壓測量儀在使用過程中需要與人體接觸，并包含由氣泵電機和電磁閥之類的機電元件，因此存在一些可能破壞信號

完整性的干擾因素。干擾因素包括袖帶因意外干擾而產(chǎn)生的壓力變化(比如人體運動)、泵的抖動和閥的開關(guān)對氣路和電路造成的干擾等。

對于閥泵的運動在氣路上造成的干擾可以采取以下措施:

首先，可以采用雙管的血壓袖帶，如圖12.4所示。采用雙管袖帶時，氣泵由袖帶的一端供氣，這樣氣泵的抖動經(jīng)一端的導(dǎo)管、氣囊和另一端的導(dǎo)管再進入壓力傳感器，其抖動會有明顯的衰減。

另外，泵的啟動和停止瞬間會對電路和氣路造成較大干擾。為了排除干擾，可以在氣泵啟停時對氣泵采取逐漸加減控制電壓的方法，使啟停的過程變得“柔和”，干擾會相應(yīng)降低很多。圖12.4雙管袖帶

電磁閥在開閉過程中會對電路板產(chǎn)生一定的電沖擊。為了避免其影響信號，應(yīng)該在電磁閥關(guān)閉幾秒鐘后再打開泵進行充氣測量，以避開電沖擊信號。

對于混合在信號中的干擾，最常用的去除方法是信號濾波。由于采用了基于微處理的數(shù)字處理方式，可以設(shè)計數(shù)字濾波器，在采樣后對信號進行濾波。數(shù)字濾波可節(jié)省硬件開銷，并容易達到較好的濾波效果。對于人體脈搏波信號，假設(shè)心率最大為4次/秒(240次/分)，也就是基頻信號頻率為4Hz。為保證信號的完整性，取5倍的基頻信號頻率，即20Hz為信號帶寬的上限。因此，對于采樣信號可以進行20Hz的低通濾波后，再進入血壓信息的處理。

12.2.3設(shè)備可靠性設(shè)計

血壓測量儀是與人體打交道的設(shè)備，因此在設(shè)計中須考慮設(shè)備的可靠性。在可靠性設(shè)計中，主要考慮兩方面內(nèi)容:一是測量安全的可靠性;二是測量結(jié)果的可靠性。

對于測量安全的可靠性而言，主要應(yīng)避免打氣過高而對人體動脈造成不必要的壓迫。為了提高可靠性，首先在壓力傳感器的選取上要使用可靠性高的器件，必要時采用雙傳感

器配置。另外，處理器軟件要有必要的容錯處理。容錯處理包括，當(dāng)獲知到一些故障信息時，立即停止氣泵并打開氣閥或報警。這些錯誤條件包括:袖帶氣壓打到很高但未找到脈

搏波(可能壓力傳感器故障);長時間打氣但袖帶氣壓未上升(可能氣路開漏或氣泵損壞);放氣后袖帶壓力未下降到低氣壓(可能氣路堵塞)。另外，微處理器的軟件應(yīng)設(shè)置“看門狗”，以防止軟件跑飛，給硬件造成誤操作。

對于測量結(jié)果的可靠性而言，主要是防止測量結(jié)果錯誤給用戶帶來的誤導(dǎo)。造成測量結(jié)果錯誤的因素很多，其中最重要的是脈搏波信號的失真。因為電路測量信號的范圍是有

限的，信號太大或太小都會造成失真;人體的個體差異性很大，有些人的脈搏波強度很大，而有些人的脈搏波強度則較弱;而且脈搏波強度還與袖帶的松緊程度有關(guān)，所以在脈搏波信號提取電路設(shè)計上，應(yīng)設(shè)計不同的放大擋位以適應(yīng)不同的信號幅度;測量軟件要設(shè)定閾值，監(jiān)測脈搏波信號，及時發(fā)現(xiàn)信號過界情況，并做出及時處理。

12.2.4測量精度分析

影響示波法血壓測量精度的因素可分為原理誤差和設(shè)備誤差兩類。原理誤差是指測量原理上的近似帶來的誤差;設(shè)備誤差是指設(shè)備器件的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生的誤差。

原理誤差的引入是由于示波法測量中脈搏波在平均壓(MAP)點上出現(xiàn)時的相位是隨機的，不一定能夠在MAP點上采到脈搏波峰谷值。這樣最大的脈搏波峰谷值的測量會

出現(xiàn)誤差，一般測量值總比實際值小。這一方面影響MAP的測量，同時影響高壓和低壓測量的準(zhǔn)確性。因為最大的脈搏波峰值要用來計算高壓和低壓所對應(yīng)的脈搏波峰谷值。最大的脈搏波峰谷值變小會造成高壓和低壓所對應(yīng)的脈搏波幅值也偏小，直接引起高壓值偏高和低壓值偏低，脈壓差偏大。一般對于脈率偏高的人，此類誤差偏小;對于脈率偏低的人，此類誤差影響相對較大。另外，基于相同的原因，高壓和低壓所對應(yīng)的壓強點上也不一定會有脈搏波峰谷值出現(xiàn)，這也給測量造成誤差。

減小原理誤差的根本方法是，在保證一定測量效率的條件下，盡量延長打氣或放氣測量時間。另外在獲取高壓和低壓時，可以利用相鄰的脈搏波峰谷值及其對應(yīng)的壓強點進

行插值計算，得到相對準(zhǔn)確的高壓和低壓點。

設(shè)備誤差的引入除了上述提到的干擾因素外，還有壓力傳感器和AD采樣的誤差。要選用線性度高、溫漂小的壓力傳感器元件，并且在使用前要經(jīng)過精確的標(biāo)定。對AD采樣

而言，主要涉及兩方面參數(shù):一是采樣分辨率;二是采樣頻率。對于0~300mmHg的壓強測量量程而言，采樣分辨率可以用10位以上的AD采樣。對于脈搏波的采樣，考慮到實際測量中可能出現(xiàn)較小的脈搏波，因此要求采樣精度偏高，可以考慮采用12位以上的AD采樣。

12.3血壓儀電路設(shè)計

血壓儀的電路按功能可分為信號獲取部分、閥泵控制部分、電源部分和微處理器部分。下面我們按順序分別介紹。

12.3.1信號獲取電路

信號獲取電路負(fù)責(zé)從壓力傳感器獲取壓強信號，提取袖帶壓強信號和脈搏波波動信號。這里采用BP300壓力傳感器測量壓強。BP300系列壓力傳感器是專為電子血壓計開發(fā)的一款壓力傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強等優(yōu)點，加之具有低廉的價格以及標(biāo)準(zhǔn)的DIP6標(biāo)準(zhǔn)封裝等特點，是目前較為流行的產(chǎn)品，主要適用于腕式/臂式電子血壓計、醫(yī)療按摩器等需要控制氣體壓力的設(shè)備和器械中。BP300壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12.5所示，其3、4腳之間可以接可調(diào)電阻。圖12.5BP300壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖12.6為AD620與BP300的連接電路，其中AD620經(jīng)3kΩ電阻配置成7倍放大，10kΩ電阻的電位器作為可調(diào)元件用于傳感器的標(biāo)定。

圖12.7為前端增益調(diào)節(jié)電路，包括LM358放大器和BC817跟隨器，其中上一級接圖12.6中的下一級。LM358放大器的主要作用為調(diào)節(jié)信號的總增益;BC817跟隨器為下一級信號提供高阻抗輸入，提高信號的穩(wěn)定性。圖12.6BP300前端電路圖12.7前端增益調(diào)節(jié)電路

圖12.8為血壓壓強輸出電路，負(fù)責(zé)為脈搏波動放大電路提供跟隨的輸出，另外通過30kΩ和10kΩ電阻調(diào)節(jié)血壓壓強輸出，提供給AD芯片采樣。下一級輸出端提供給波動信號

電路用于血壓波的提取。

圖12.9為血壓波動一倍增益輸出電路，其中10μF的電容用來隔直流，只讓交流信號通過。同時，進一步對波動信號放大，使之基本到達AD采樣的幅度。圖12.8血壓壓強輸出電路圖12.9血壓波動1倍增益輸出電路

圖12.10和圖12.11是在血壓波動一倍增益輸出的基礎(chǔ)上分別對信號進行2倍和3倍的放大。圖12.10血壓波動2倍增益輸出電路圖12.11血壓波動3倍增益輸出電路

12.3.2泵閥控制電路

本設(shè)備采用的氣泵和電磁閥如圖12.12所示。圖12.13為氣泵控制電路，本儀器使用CPU產(chǎn)生的DA信號來控制氣泵的轉(zhuǎn)速。DA信號的幅度為0~2.43V，通過LM358放大器放大一倍后由功放三極管來驅(qū)動氣泵電機。二極管用來在氣泵停止后反向放電，以保護電路。圖12.14為氣閥控制電路，其中氣閥控制端接CPU的IO腳。電磁閥為常閉閥。當(dāng)氣閥控制端為低電平時，電磁閥打開。二極管用來在閥開閉瞬間放電，以免影響其他電路。圖12.12氣泵和電磁閥實物圖圖12.13氣泵控制電路圖12.14氣閥控制電路

12.3.3電源交直流轉(zhuǎn)換電路

圖12.15為該設(shè)備的電源電路。設(shè)備通過變壓器外接220V交流電。變壓器輸出的電壓接到2腳插座上。交流電通過二極管橋式整流電路產(chǎn)生±10V單極性電壓，通過7805穩(wěn)壓管輸出穩(wěn)定的±5V直流電壓，用于AD芯片和放大器的雙極性供電。AS117將5V直流轉(zhuǎn)化為3V直流給CPU供電。圖12.15電源電路

12.3.4AD采樣電路

圖12.16為AD采樣芯片電路。AD采樣芯片采用ADS8342及±5V供電。ADS8342有4路16位AD采樣，充分滿足測量的精度要求。圖12.16AD采樣芯片電路

12.3.5微處理器電路

微處理器是整個電路的核心，這里選用C8051F020作為微處理芯片，如圖12.17所示。C8051F020含有串口、12位DA、看門狗、內(nèi)部晶振以及并行IO接口等，集成化程度高。另外，

C8051F020支持JTAG在線編程接口，適于快速程序開發(fā)。圖12.17微處理器電路

12.3.6串口電路

圖12.18為MAX232串口接口電路。微處理器通過MAX232與計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。圖12.18MAX232串口接口電路

12.4血壓儀軟件設(shè)計

血壓儀軟件包括微處理器程序和上位機PC界面程序。微處理器程序負(fù)責(zé)接收上位機命令并控制血壓采樣測量的具體過程，上位機PC界面程序負(fù)責(zé)人機交互。兩者通過串口聯(lián)系通信。

12.4.1微處理器程序

微處理器程序使用C51語言編寫，在KeilC51編譯器下編譯。微處理器程序包括的主要子程序有初始化子程序、AD采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、血壓測量過程控制子程序、串口通信子程序、主程序和定時中斷程序。下面分別進行介紹。

1.初始化子程序

初始化子程序主要進行晶振、端口、DA、串口和時鐘的初始化，其源代碼如下:

2.AD采樣子程序

AD采樣子程序負(fù)責(zé)控制ADS8342芯片，并從中讀取數(shù)據(jù)，其源代碼如下:

DataSample(intchannal)子程序在定時中斷中每秒調(diào)用100次，即100Hz的采樣頻率，采得的數(shù)據(jù)存在濾波隊列數(shù)組中，準(zhǔn)備進入低通濾波程序進行濾波。DataSample(int

channal)在中斷函數(shù)中的調(diào)用代碼如下:

3.數(shù)字濾波子程序

數(shù)字濾波子程序使用21階FIR濾波器對AD采樣的數(shù)據(jù)進行濾波，

FIR濾波器的優(yōu)點在于性能穩(wěn)定，不會產(chǎn)生計算數(shù)值溢出。數(shù)字濾波子程序的源代碼如下:

4.血壓測量過程控制子程序

血壓測量過程控制子程序負(fù)責(zé)控制整個血壓測量的階段控制，以及處理采樣濾波得到的數(shù)據(jù)，得出血壓相關(guān)數(shù)據(jù)。血壓測量的階段控制主要是將血壓測量的過程按時間分為以

下幾個操作階段:

(1)放氣階段:測量前要確保袖帶壓力低于某閾值，如10mmHg。

(2)充氣階段:快速啟動氣泵，使氣泵的轉(zhuǎn)速達到一個較高轉(zhuǎn)速，迅速使氣壓達到某一氣壓值，如30mmHg。

(3)準(zhǔn)備階段:緩慢地降低氣泵轉(zhuǎn)速，直到適合測量的轉(zhuǎn)速，為測量做準(zhǔn)備。

(4)測量階段:氣泵勻速打氣，同時測量壓力信號，計算血壓數(shù)值并發(fā)送數(shù)據(jù)。

(5)停止測量:停止泵，打開閥，將測量參數(shù)歸零回到空閑狀態(tài)。

在測量階段，程序主要是存儲波形數(shù)據(jù)并從中提取并保存每一個脈搏波的幅度和對應(yīng)的壓強值，直到測量結(jié)束。判斷測量結(jié)束的條件是連