基于可編程片上系統的智能電子血壓計設計方案

一、引言

血壓是反映心血管系統狀態的重要生理參數，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。隨著人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化程度的提高，人們自我保健意識逐漸增強，電子血壓計具有低成本、小型化、自動化程度高等優點，如今已作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞。

可編程片上系統（SOPC）是Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。用可編程邏輯技術把整個系統放到一塊硅片上，稱作SOPC。它可以將MCU、DSP和FPGA完美結合，有非常好的發展前景。本文介紹了一種基于SOPC的智能電子血壓計的設計方案，該方案采用示波法進行血壓測量，具有自動測量血壓、信息顯示、數據存儲、查看和刪除歷史數據等功能。

二、系統總體設計

2.1 系統框圖

本系統主要由FPGA芯片、存儲器、壓力傳感器、氣泵、電磁閥、A/D轉換模塊、LCD顯示器、電源管理模塊等組成。

2.2 主控芯片

本系統采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入NNIOS II軟核作為核心處理器。FPGA的型號為Cyclone II系列EP2C35F672C6，該型號具有豐富的邏輯單元和I/O接口，可以滿足系統設計的需求。NNIOS II軟核處理器是一種可配置的32位RISC處理器，可以靈活地配置處理器的性能和外設接口，從而實現高效的系統控制。

• 型號：Cyclone II系列EP2C35F672C6

• 作用：作為系統的核心處理器，完成自動測量血壓、信息顯示、數據存儲、查看和刪除歷史數據等功能。

2.3 壓力傳感器

壓力傳感器用于將動脈血液對血管壁的壓力轉換為電信號。本系統采用Motorola公司生產的MPXV5050GP壓力傳感器。該傳感器內部含有信號運放，具有信號調節功能，有良好的線性度，可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉換為0.2～4.7V的電信號，對應的血壓值為0～375mmHg，與血壓計的設計要求非常匹配。

• 型號：MPXV5050GP

• 作用：將動脈血液對血管壁的壓力轉換為電信號，供后續處理。

三、硬件設計

3.1 信號處理電路

從壓力傳感器出來的信號是脈搏波的振蕩信號和靜壓力信號的混合信號，還夾雜著來自外界的高頻干擾、直流或低頻分量。因此，需要對混合信號進行處理，提取出有用的血壓信息。

信號處理電路主要由低通濾波器、帶通濾波器、放大電路和A/D轉換模塊組成。低通濾波器用于提取靜壓力信號，帶通濾波器用于提取脈搏波信號。放大電路用于對脈搏波信號進行放大，以提高A/D轉換的精度。A/D轉換模塊用于將模擬信號轉換為數字信號，供后續的數字信號處理算法使用。

3.2 氣泵和電磁閥控制電路

氣泵和電磁閥用于控制袖帶的充氣和放氣過程。控制氣泵和電磁閥工作的信號是由FPGA發出的。由于FPGA的數字I/O輸出電流不能滿足要求，因此采用達林頓管陣列ULN2803驅動電路來驅動氣泵和電磁閥工作。

• 氣泵驅動電路：采用ULN2803的第一路驅動氣泵，氣泵需要的工作驅動電流為450mA。

• 電磁閥驅動電路：采用ULN2803的第二路驅動電磁閥，電磁閥需要的工作驅動電流為75mA。

3.3 顯示模塊

顯示模塊采用128×64點陣LCD顯示器，用于顯示測量結果和用戶操作界面。LCD顯示器具有操作簡便、界面友好的特點。

• 型號：128×64點陣LCD顯示器

• 作用：顯示測量結果和用戶操作界面。

3.4 數據存儲模塊

數據存儲模塊采用Flash芯片，用于保存測量結果和歷史數據。Flash芯片具有容量大、讀寫速度快、功耗低等優點。

• 型號：根據系統需求選擇合適的Flash芯片

• 作用：保存測量結果和歷史數據。

四、軟件設計

4.1 軟件工作流程

系統的軟件工作流程如圖2所示。當用戶測量血壓時，按下“測量”按鍵，SOPC系統發出控制信號給氣泵，開始加壓充氣。充氣的過程中，來自壓力傳感器的血壓信號經放大、濾波后送入A/D轉換模塊，信號經A/D轉換后送入SOPC系統執行相應的信號處理算法，計算出心率、收縮壓和舒張壓的值。SOPC計算出測量值以后，保存本次測試結果至Flash芯片，如果測量結果正常，則LCD顯示出所測的數據并執行快速放氣操作；如果測量出的結果超出正常范圍，則顯示相應提示信息，同時發出警報聲音和放氣控制信號。

4.2 信號處理算法

信號處理算法部分主要是對采樣的脈搏信號進行處理，包括采用數字濾波算法對各種干擾噪聲信號進行識別與去除，改善脈搏波的包絡線等，以提高電子血壓計在測量血壓時的抗干擾能力與測量精度。

具體的信號處理算法包括：

1. 數字濾波算法：采用低通濾波器和帶通濾波器對信號進行濾波，去除高頻干擾和低頻分量。

2. 特征點提取算法：根據脈搏波的包絡線提取特征點，用于計算收縮壓和舒張壓。

3. 心率計算算法：根據脈搏波的峰值計算心率。

4.3 數據通信協議

本系統支持多種無線傳輸方式，如藍牙、WiFi等，可以將測量結果無線傳輸至通訊設備并同步上傳到云計算服務器或客戶指定的服務器。配套的APP軟件可以將數據傳輸到每個用戶對應的ID下，實現多用戶系統管理，單用戶自主查看。

五、系統測試與結果分析

為了檢驗本設計的測量結果，將此電子血壓計與市面上評價比較好的歐姆龍HEM-7012型電子血壓計分別對不同的個體進行了測量。從多組測量結果的對比可以看出，雖然測量結果存在一定的誤差，但本血壓計對不同的測量者具有良好的個體適應性。與歐姆龍電子血壓計相比，本血壓計測得的血壓結果略有偏大，這是因為電子血壓計采用基于充氣過程的示波法，特征點的確定只能依賴采集樣本的統計歸納，有一定的離散性。此外，在測量過程中，壓力傳感器輸出信號以及放大、濾波等電路的輸出信號都可能與真實值之間存在一些小的差異，因此會存在一定的誤差。

六、結論

本文提出了一種基于SOPC的智能電子血壓計設計方案，該方案采用示波法進行血壓測量，具有自動測量血壓、信息顯示、數據存儲、查看和刪除歷史數據等功能。系統采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入NNIOS II軟核作為核心處理器，簡化了電路的設計，提高了系統的可靠性和穩定性，并且使系統具有較強的可擴展性，有利于系統的升級。實驗結果表明，該血壓計對不同的測量者具有良好的個體適應性，測量結果準確可靠。