基于NXP微控制器的多功能電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)
1 系統(tǒng)工作原理 血壓指血管內(nèi)的血液對于單位面積血管壁的側(cè)壓力，即壓強(qiáng)。正常的心臟是一個(gè)強(qiáng)有力的肌肉器官，它日夜不停地、有節(jié)律地一張一縮，使血液在循環(huán)器官內(nèi)流動(dòng)。血液在血管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，無論心臟收縮或舒張，都對血管壁產(chǎn)生一定的壓力。血壓有兩種，一是收縮壓，它指在心室收縮時(shí)，主動(dòng)脈壓急劇升高，在收縮期的中期達(dá)到最高值，這時(shí)的動(dòng)脈血壓值稱為收縮壓，也稱為“高壓”;另一是舒張壓，它指在心室舒張時(shí)，主動(dòng)脈壓下降，在心舒末期動(dòng)脈血壓的最低值稱為舒張壓，也稱為“低壓”。 該多功能電子血壓計(jì)，采用示波法進(jìn)行測量，其原理是通過測量血液流動(dòng)時(shí)對血管壁產(chǎn)生的振動(dòng)，在袖帶放氣過程中，只要袖帶內(nèi)壓強(qiáng)與血管壓強(qiáng)相同，則振動(dòng)最強(qiáng)。其優(yōu)點(diǎn)為：使用簡易，可一人獨(dú)自操作，測量值便于記錄，體積輕巧便于攜帶。 2 硬件設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 該多功能電子血壓計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括LPC3250主控模塊、電源及復(fù)位模塊、檢測模塊、LCD觸摸屏模塊、WiFi模塊、語音模塊和USB模塊等6大模塊。 2.2 主控LPC3250 主控采用NXP新推出的高度集成LPC3250微處理器，具有高性能、高集成度、低功耗等的特點(diǎn)，非常適合本方案的設(shè)計(jì)要求。它采用90 nm工藝和功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S內(nèi)核，主頻高達(dá)208 MHz，具有全系列標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。其中包括帶專用DMA控制器的24位LCD控制器，可支持STN和TFT面板；三通道10位400 kHz A/D轉(zhuǎn)換器，帶觸摸屏接口；內(nèi)部集成高達(dá)11個(gè)PWM通道；USB OTG接口，能全速連接主機(jī)和器件；一個(gè)支持DDR和SDR SDRAM，SRAM，F(xiàn)LASH和靜態(tài)器件的外部存儲(chǔ)控制器。充分滿足了本設(shè)計(jì)的需要，外部只需加入很少芯片就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，并可使整個(gè)系統(tǒng)體積減小、功耗降低、穩(wěn)定性增加和成本得到控制。 2.3 壓力傳感器XFGN-6025KPGSR 該設(shè)計(jì)采用日本Fujikura公司生產(chǎn)的新一代壓力傳感器XFGN-6025KPGSR，它的重量只有0.35 g，主要用于便攜式電子血壓計(jì)，采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，內(nèi)部含有放大、溫度補(bǔ)償及預(yù)校正失調(diào)電壓和量程，從而提高了測量的精度、穩(wěn)定性，也省去了放大電路。它直接將血壓轉(zhuǎn)換為0~4.5 V的電信號，對應(yīng)的血壓值為0~25 kPa，即0~187.5 mmHg，與血壓計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常匹配。 2.4 濾波器MAX267 所測得的模擬信號還要經(jīng)過濾波，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其中濾波用于濾掉信號中的直流成分、電源及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾等。該設(shè)計(jì)采用Maxim公司的MAX267，它是Maxim眾多開關(guān)電容濾波器（SCF）芯片中較簡潔的一種。內(nèi)部包含2個(gè)已經(jīng)固定成帶通型，并且使用相同的Q參數(shù)和頻率變換比例的二階SCF和一個(gè)運(yùn)放。通過選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娮韬蚎參數(shù)，能夠組成不同波紋率的Butterworth或Chebyshev濾波器。這樣大大減少了外圍電路，且使用靈活，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用集成運(yùn)放組成的濾波電路，非常適合于本設(shè)計(jì)。 3 軟件設(shè)計(jì) 3.1 程序流程 軟件部分是系統(tǒng)有效工作的核心，其程序流程如圖2所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，由U-boot引導(dǎo)啟動(dòng)嵌入式Linux，初始化相關(guān)硬件和程序并進(jìn)入主菜單。其中數(shù)據(jù)查詢，可在LCD上查看以往測量結(jié)果，并由機(jī)器進(jìn)行簡單的健康情況分析；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可手動(dòng)將測得的結(jié)果通過WiFi傳送至醫(yī)院，并與醫(yī)生進(jìn)行簡單的對話；開始檢測，血壓計(jì)進(jìn)入檢測模式；系統(tǒng)設(shè)置，可對系統(tǒng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，并可對系統(tǒng)固件進(jìn)行升級；個(gè)人信息，可輸入自己的身高、體重、性別和年齡等信息，方便系統(tǒng)對每個(gè)人的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分別管理和有針對性的健康情況分析。 3．2 電子血壓計(jì)檢測模式流程 當(dāng)測量血壓時(shí)，微處理器PWM輸出控制氣泵充氣，先充氣至壓力傳感器的最大額定值25 kPa，即187．5 mmHg，再慢慢以每秒下降約3 mmHg的速度勻速放氣，調(diào)整袖帶內(nèi)氣壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量血壓。一路A／D采樣袖帶內(nèi)氣壓直流分量，以便取得收縮壓和舒張壓，即高壓和低壓，并對心跳周期取平均計(jì)算心率；另一路A／D采樣袖帶內(nèi)氣壓交流分量，經(jīng)分析計(jì)算后確定收縮壓和舒張壓的瞬態(tài)時(shí)間位置，接收血壓脈沖信號，觸發(fā)ADC工作，計(jì)算出收縮壓和舒張壓的結(jié)果。心率、血壓計(jì)算流程圖如圖3所示。
3．3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理采用SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫，它是2000年由D．Richard Hipp開發(fā)出來的一種中小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，可以較為方便地運(yùn)用于嵌入式系統(tǒng)中，它的源代碼完全開放，可以免費(fèi)用于任何用途，包括商業(yè)目的；它提供了對SQL92的大多數(shù)支持，如支持多表、索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)和一系列的用戶接口及驅(qū)動(dòng)，簡單易用，速度也很快，同時(shí)提供了豐富的數(shù)據(jù)庫接口。經(jīng)過對需求的分析和優(yōu)化，可設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的E-R圖如圖4所示。其全面準(zhǔn)確地反應(yīng)了用戶的功能需求，可使實(shí)體類型的個(gè)數(shù)和所含屬性的個(gè)數(shù)少，實(shí)體類型間無冗余。
3．4 系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)界面中，通過觸摸屏發(fā)出各項(xiàng)命令，再通過數(shù)據(jù)庫的連接由圖形界面顯示。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序窗口界面采用Qt編寫實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，完全面向?qū)ο?，很容易擴(kuò)展，并且允許真正的組件編程，被廣泛地應(yīng)用于各種嵌入式產(chǎn)品中。圖5是采用輕量級跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境Qt creator所設(shè)計(jì)的界面。開機(jī)啟動(dòng)后，首先進(jìn)入如圖5（a）所示的主菜單，輕觸開始檢測，系統(tǒng)進(jìn)入如圖5（b）所示的檢測菜單，顯示測得數(shù)據(jù)。考慮到老年人視力不佳，本界面的字體都已放大。
4 結(jié)語
隨著生活水平和城市老齡化比例的不斷提高，醫(yī)療電子設(shè)備的家庭化、智能化逐漸成為趨勢。本文給出了完整的智能電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)方案，區(qū)別于傳統(tǒng)只有單一檢測功能的產(chǎn)品，具有三大創(chuàng)新點(diǎn)：大屏幕顯示和控制；采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite進(jìn)行數(shù)據(jù)管理；通過網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)院連接。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)體積小，功耗低，智能化，檢測速度快，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人一儀器一醫(yī)療機(jī)構(gòu)一體化的健康檢測網(wǎng)絡(luò)，很適合家庭用戶，特別是老年人的使用。如果該方案能廣泛推廣和應(yīng)用，會(huì)產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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