1、血壓計的原理和設計本文敘述怎樣使用Freescale（以下稱為飛思卡爾）MCU設計血壓計，飛思卡爾供給數款針對醫療電子的MCU，包含MK53N512、MC9S08MM128和MCF51MM256，集成16bit的模擬數字變換器（ADC）、12bit的數字模擬變換器（DAC）、兩個可調增益運算放大器、兩個TRIAMPS、模擬比較器和Vref生成器。K50系列產品同時還可以在辦理信號的時候履行DSP指令，MCF51MM系列產品則能履行MAC（乘法和累加）指令。文章旨在為生物醫學工程師、醫療設施開發人員，或許任何擁有醫學實踐并對血壓計工作原理感興趣的人供給參照信息。自然這需要具備模擬電路和數字電路的

2、基礎知識。一、血壓計的基來源理第一介紹動脈壓力的生理學觀點以及血壓計的工作原理。1、動脈壓力動脈壓力（ArterialPressure）是指血液在動脈血管中施加的靜水壓力hydrostaticpressure），這是左心室縮短產生的結果。動脈縮短壓SystolicArterialPressure，SAP）是指心臟縮短的時候動脈形成較高的血壓；舒張期動脈壓（DiastolicArterialPressure，DAP）是指在心臟舒張的時候形成的最低血壓。正常成人歇息狀態下的SAP和DAP分別是110mmHg和70mmHg，mmHg為壓強單位毫米汞柱。表1血流量（bloodflow）指的是在單位時間

3、內（往常以mL/min表示）流經隨意器官組織的血液流量，血液將氧和其余營養物質傳遞給器官組織。血壓的大小直接影響血流量，由于血液老是從高壓的地區流向低壓的地區，兩個地區的血壓差越大，那麼血流量就越大。血液由左心室泵出到大動脈（aorta）并達到較高的血壓，隨著血液的流動，血壓漸漸降低直到為0mmHg，此時血液回到右心房（rightatrium）。圖1表示血壓的變化。圖1血管壓力的變化2、血壓計的工作原理血壓計的工作原理主要基於示波法（oscillometricmethod），在丈量過程中，示波法利用獲取的壓力脈沖信號來獲取血壓值。袖帶（occludingcuff）與氣泵和壓力傳感器相連，袖帶在

4、使用過程中緊箍手臂。給袖帶泵入氣體使其膨脹，直到壓力大於脈搏（systolic）的典型數值，然後袖帶才漸漸放氣。由於袖帶的放氣，當脈搏壓力抵達必定數值的時候，就開始出現脈動（pulsation）。脈動的大小代表了由於心臟縮短而產生的壓力變化，它被用於計算心跳的速率。脈動的振幅漸漸增大到均勻動脈壓（MeanArterialPressure，MAP），然後遲緩降落到零。圖2顯示了袖帶壓力與脈動（pulsation）之間的關系。圖2袖帶（cuff)壓力與心跳的關系在脈沖振幅最大的時候，示波法經過獲取袖帶壓力來確定均勻動脈壓MAP）的大小。縮短和舒張的數值能夠使用特別算法計算，不一樣的醫療設施開發商有

5、不一樣的算法。基於飛思卡爾芯片的血壓計在計算收縮和舒張的數值主要依據以下原則當脈沖的振幅為MAP的70%的時候，此時丈量獲取的壓力就近似為縮短壓力，而且袖帶壓力大於MAP；近似的，脈沖振幅為MAP的50%時，此時存放器內的袖帶壓力就近似為舒張壓力，袖帶壓力小於MAP。二、血壓計的硬件實現使用飛思卡爾KinetisK53和FlexisMM系列MCU實現的血壓計，除了文章開頭所提到的幾個構成部分以外，在性能方面還擁有其余特色，比方K5X系列的產品還還支持包含MAC在內的DSP指令會合，MCF51MM也擁有履行MAC指令的功能。飛思卡爾企業醫療用途的MCU可降低醫療設施的BOM成本，兼具最正確的辦理

6、能力。只要要少數的外面器件進行壓力感覺和袖帶控制。1、MED-BPM模擬前端電路MED-BPM模擬前端demo板針對血壓計而設計，與飛思卡爾的醫療專用MCU聯合使用。MED-BPM與MCU之間的通訊使用專用連結器，使用飛思卡爾配套推出的Tower系統更能夠迅速的制作出產品原型，加快產品的上市時間。MED-BPM的構造見圖3。圖3MED-BPM的構造（1）醫療連結器demo板塊中使用到的醫療器材連結器是標準器件，demo板塊的型號為TWR-9S08MM、TWR-MCF51MM和TWR-K53。連結器包含用於醫療用途的最重要的模擬周邊設施，以及I2C接口進行數據通訊。表歸納了醫療連結器信號特征。（

7、2）袖帶壓力控制MED-BPM使用示波法進行血壓的丈量，這是一種無創傷（noninvasive）的方法，它使用外面袖帶緊箍病患者的手臂，檢測縮短和舒張動脈壓力。MCU的GPIO引腳控制氣泵給袖帶充氣，而另一個GPIO引腳則用於控制放氣閥門對袖帶進行放氣。由于USB端口供給的電流（500mA）不足以驅動氣泵和閥門（600mA），所以它們一定要由外部電源以獲取足夠的電流進行驅動。這需要光耦器件用於MCU控制信號與驅動零件的連結，如圖4所示，光耦器件的輸出被連結到MOSFET，MOSFET相當於一個開關，它控制氣泵和閥門的動作。圖4MCU控制信號與驅動零件的連結電路（3）外面連結器在MED-BPM上

8、，除了光耦器件和開關電路以外，還有外面氣泵的連結器、閥門和電池。這就同意使用MCU信號控制外面的元器件。氣泵電機和閥門使用兩個AA電池進行供電，由於USB輸出不可以供給足夠的電流驅動，圖5顯示連結器引腳的布局。圖5連結器引腳功能（4）壓力傳感器示波法的實質就是丈量袖帶的壓力變化，這使用的傳感器MP3V5050芯片內部集成了雙極運算放大器電路和薄膜電阻網路，此傳感器供給高輸出信號和溫度賠償能力。MP3V5050的主要特征見表2，MP3V5050的輸出信號與輸入壓力信號成比率。在應用電路中，此傳感器可直接與放大電路連結。表2（5）信號濾波和放大信號濾波和放大由三個濾波器、緩沖電路、同相放大器構成，

9、見圖6。濾波器為一階RC無源電路，其截止頻次能夠由公式fc=1/2RC進行計算。信號經過10Hz的低通濾波電路（LPF），這個濾波電路由電阻和電容構成，主要為了除去高頻噪聲。之後，信號傳輸到緩沖電路，緩沖電路就是一個獨自的運算放大器，它連結信號與傳感器。在緩沖電路的輸出端對動脈壓力進行丈量，然後信號再次由2.2Hz的RC高通濾波器進行濾波辦理，移除高頻噪聲，獲取比較干凈的信號傳輸到後面的放大電路。信號放大電路為同相放大器，包含二階運算放大器、兩個電阻（100k和1k），形成101的增益，以便能更為有效的辨別袖帶的振動。這部分電路之後，信號進行10Hz的RC低通濾波電路，再次進行高頻信號的過濾。

10、圖6濾波和放大電路2、功能描繪MED-BPMdemo板使用近似於示波法的丈量方法，即所謂的斜坡上漲Ramp-Up）方法，在袖帶充氣的過程中進行丈量。ramp-up方法相同需要將袖帶密切的箍住左手臂，接著放氣閥門被封閉，氣泵開始給袖帶充氣。見圖7，在充氣的同時，經過檢測袖帶的壓力，并對信號進行放大，進而獲取袖帶的壓力振動。圖7壓力振動電路連續監測這些振動，每個振動獲取主要的袖帶壓力，而且保留振動的幅度。但壓力抵達最大值的時候，電機停止充氣，閥門開啟對袖帶進行放氣。在袖帶放氣的同時，MCU對壓力數值進行計算。第一，檢測全部脈沖信號，而且找出幅度最大的脈沖信號，由于它代表MAP。在將這個脈沖信號被標

11、志為MAP的時候，記錄袖帶的壓力。利用上述計算方法，計算出縮短脈動壓力和舒張脈動壓力。三、軟件模型MED-BPM演示板基於飛思卡爾的USB軟件貨倉，能夠被視為USB通訊類器件（CDC）。演示板使用的狀態機（statemachine）每個周期履行一個狀態，防止CPU的挾持和仿真并行辦理。圖8顯示了軟件的模型。圖8軟件模型每個狀態機（statemachine）是MCU一定履行的任務。系統能夠履行幾個任務，只有目前任務在FIFO序列中達成以後，才能履行下一個任務。每個狀態機包含幾個子狀態機（sub-statemachine），這就同意將這幾個子狀態機中均勻分派CPU負荷。就像前面提到的那樣，軟件基於

12、飛思卡爾的USB貨倉和PHDC。MED-BPM演示板的軟件分為三部分初始化；與電腦的通訊；履行丈量。1、初始化運行MED-BPM演示板的第一步是對所需的周邊設施進行初始化。在main函數，第一調用的函數Init_Sys對USB工作時鐘和中止進行設定，然後AFE和軟件計數器所需的周邊設施相同進行初始化以進行初次運行。USB被設定為CDC（通訊類器件），進而啟動USB與主機之間的通訊。之後，狀態機進入無窮循環履行狀態。（圖9）圖9初始化2、與電腦的通訊電腦經過USB與器件連結，器件的工作被設定為CDC，而且器件的動作被視為電腦的虛構端口來使用。（1）接收指令函數SerialComm_Periodi

13、cTask是通訊類器件的虛構comport子程序，它被主程序調用。這個函數連續監測USB輸入緩沖器以便接收數據。在接收到數據包以後，函數檢查接收到的數據包能否切合通訊協議。怎樣切合協議，函數檢查懇求指令并開始履行。圖10顯示了SerialComm_PeriodickTask函數的履行流程。圖10圖10SerialComm_PeriodicTask函數流程圖（2）履行指令MED-BPM對四個懇求命令進行鑒別。BpmStart/StopMeasurementReq啟動或許停止血壓丈量；BpmStart/StopLeakTestReq啟動或許停止袖帶氣體漏的測試。不論履行上述哪一個指令，都會依據通訊

14、協議生成確認數據包，以此來表示這個指令已經被接收到。在履行啟動懇求的時候，確認數據包同時還包含其能否成功履行的信息。圖11顯示了懇求指令的流程。圖11懇求命令流程圖（3）發送數據包函數SerialComm_SendData將數據包發送到主機。數據包被創辦的同時，被儲存在輸出緩沖器中，此時數據計數變量增添顯示出輸出緩沖器的容量改變。一旦SerialComm_SendData函數被調用，它就會檢查數據技術變量的大小。假如這個變量不為零，那麼就表示輸出緩沖器中仍舊有信息需要發送。這個函數調用CDC接口、USB貨倉零件和PHDC來發送數據包。圖12顯示了這個函數的履行流程。圖12SerialComm_

15、SendData函數流程圖3、丈量在履行BpmStartMeasurementReq函數的時候，調用Bpm_StartMeasurement函數，它對Bpm進行初始化并履行丈量。這個函數第一重置全部參數確定初始化的狀態，然後設定ADC的分辨率為12bit。由於初次ADC丈量數據對動脈壓力計算沒存心義，所以這些采樣數據能夠被忽視。BpmIgnoreSamplesCounter和必定數目的采樣一同加載。BpmActualState函數被設定為丈量狀態，以此表示丈量的BPM狀態機已經開始履行。軟件計時器此時開始每隔10ms獲取ADC采樣。在Bpm_StartMeasurement函數中，BPM狀態機

16、從待機狀態中離開出，而且開始進行丈量。在履行下個狀態機時候，調用StateMeasuring函數，圖13顯示了這個函數的流程。在ramp-up階段，為了防止袖帶過分膨脹對人體造成損害，就需要不停的檢查袖帶壓力，而且將這個壓力與最大參照值進行比較。由於40mmHg以下獲取的第一個采樣信息沒有參照價值，所以這些采樣信息在第一個sub-state中能夠忽視不計。采樣計數器被早先設定，用來顯示被忽視的采樣數目。圖13StateMeasuring函數流程在第一個采樣被忽視之後，程序搜尋主袖帶壓力的振動。經過前後兩個采樣之間的比較，程序得出每個脈沖較高的數據。假如新的采樣比前一個采樣大，那麼新的采樣就被設定為實質脈沖的較高點，向來到更高采樣點的出現。假如在五個采樣之後，新的采樣點比前一個小，那麼能夠以為這個脈沖正在降落，此時將進入找尋最低點的過程。在最大和最小脈沖都被確定之後，計算出它們的振幅，振幅和同時丈量獲取的主袖帶壓力一同儲存在