基于MSP430F149單片機的低功耗電子血壓計設計

熊青，戴啟軍，宋亞楠

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001）

血壓是人體健康的重要指標之一，它能反映人體心臟和血管的功能狀況。血壓測量的方法有兩種：直接法和間接法。直接法是有創測量方法，通過將導管經皮膚插入預測部位的血管或心臟內，進而測得血壓值。該方法具有測量值準確、并能進行連續測量等優點，但是其有創性給病人和臨床應用都帶來許多不便。間接法是無創測量方法，利用脈管內壓力與血管阻斷開通時刻所出現的血流變化間的關系，從體表測出相應的壓力值[1]。

無創測量血壓的方法有很多，但是應用比較廣泛的是柯氏音法與示波法。傳統的水銀血壓計是基于柯氏音法進行測量的，測量過程復雜，測量值受醫生的經驗水平影響較大，而且測量值是偶測值，不能代表被測者的平均血壓水平。為了能夠方便、準確地實時檢測血壓值，筆者設計了一種低功耗便攜式的電子血壓計，使被測者可以隨時隨地對自己的健康狀態進行監護。

1 血壓測量原理

血壓指血管內的血液作用于血管壁的壓力。心臟收縮時，心室形成的高壓推進血液由左心室射出，通過動脈流經到毛細血管，到達血壓值相對較低的靜脈壓系統；心臟舒張時，靜脈血回流至右心房。心臟活動的波動特性引起動脈中的血壓在收縮期增高，在舒張期降低[2]。

應用比較廣泛的無創血壓測量方法有柯氏音法和示波法。兩者都是基于血管卸載原理實現血壓測量的，當動脈壓大于袖帶壓時，血管開放，當動脈壓小于袖帶壓時血管閉合。筆者采用示波法進行血壓測量，利用壓力傳感器觀察隨著袖帶壓的變化，血管從閉合到開放時，脈搏波幅度的變化來實現血壓測量[3]。

目前主要有兩種方法從脈搏波構成的鐘形包絡中識別特征點獲取血壓值[4]：

1）波形特征法通過識別血壓波形在收縮壓和舒張壓處的波形變化特征來判別血壓值。該方法從傳統經典力學的理論出發，直接從振蕩波包絡曲線上求得二階導數等于零點的值，即振蕩波包絡變化的突變點對應了收縮壓和舒張壓的位置點。

2）幅度系數法通過識別與確定收縮壓、舒張壓與平均壓之間的內在關系來判定血壓值。該方法是用壓力波幅的最大值與收縮壓和舒張壓的比例系數來判定的，首先尋找脈搏波鐘形包絡的頂點Om，其對應的袖帶壓Pm，即為平均壓；另外，在包絡線上升沿存在一點Os和下降沿存在一點Od，分別對應收縮壓Ps和舒張壓Pd。Os和Od的大小可根據如下經驗公式求得：

2 系統總體設計

該電子血壓計以MSP430F149單片機為控制核心，配以數據采集模塊、氣路控制模塊、存儲模塊、顯示模塊和電源模塊等電路完成對血壓的實時測量、顯示和存儲。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 電子血壓計總體設計框圖Fig.1 Overall design block diagram of electric sphygmomanometer

MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）生產的一種16位超低功耗單片機，其中MSP430F149是一種超低功耗的Flash微控制器，消耗功率僅為其他閃速微控制器（Flash MCU）的五分之一[5]。MSP430F149內嵌12位的A/D轉換器，可以接入8路模擬信號，并對其中的一路進行A/D轉換。12位的A/D具有通用的采樣/保持電路，給用戶提供了采樣時序的各種選擇。此外，MSP430F149具有豐富的片內外設，可以大大簡化電路設計[6]。因此，MSP430F149能很好的滿足系統設計低功耗和小巧便攜的要求。

數據采集模塊主要負責對壓力信號的采集及濾波等處理，然后將得到的袖帶壓力信號和脈搏波信號送至MSP430F149。單片機對輸入的信號進行處理，獲得血壓值；同時，控制顯示模塊和存儲模塊對結果進行顯示和存儲。

3 系統硬件設計

3.1 數據采集模塊

壓力傳感器采集到的信號是含有袖帶壓力信號和脈搏波信號的混合信號，屬于微弱信號，通常在毫伏量級。因此在電路設計中需要設計前級放大電路對壓力傳感器的輸出信號進行差模放大，同時抑制共模信號。前級放大電路采用AD620，它具有低成本、高精度、低噪聲、低輸入偏移電流和低功耗等特點。本系統中設定前級放大電路的增益為5。在測量血壓的過程中，袖帶壓力信號變化緩慢，屬于低頻信號，接近于直流信號。通常人體脈搏波低于240次/分，即脈搏波的主要頻率分量一般在0.5～4 Hz。因此，可以通過低通濾波電路得到袖帶壓力信號，通過帶通濾波電路獲得脈搏波信號。本系統采用截止頻率為0.6 Hz的二階巴特沃斯低通濾波電路實現對袖帶壓力信號的提取，采用通頻帶為0.5～10 Hz的二階巴特沃斯帶通濾波電路實現對脈搏波信號的提取。由于脈搏波信號的幅度比較小，考慮到后續的A/D轉換，需要設計次級放大電路。本系統設計次級放大的增益為100。綜上分析，數據采集模塊如圖2所示。

圖2 數據采集模塊框圖Fig.2 Block diagram of data acquisition module

正常成人動脈的收縮壓小于140 mmHg，舒張壓小于90 mmHg。考慮到高血壓患者的壓力比正常人高，本設計的血壓計的量程設計為0～300 mmHg。因此，選用US9116-006-N壓力傳感器。它的量程為0～300 mmHg，是基于硅壓敏電阻構成的惠斯通電橋測量壓力的變化。壓力變化時，硅壓敏電阻的阻值隨之變化，從而產生隨壓力變化的輸出電壓。在恒流源或恒壓源激勵下，將輸入端的壓力信號轉換成與之成正比的電信號輸出。

3.2 氣路控制模塊

本系統選用FMAP1004A-03微型充氣泵和FLJV03PQ微型排氣閥，以滿足系統低功耗和方便攜帶的要求。單片機控制充氣泵和排氣閥的電路如圖3所示。單片機通過I/O端口輸出高低電平，實現對充氣泵和排氣閥的控制。當P4.0/P4.1端口輸出為高電平時，三極管Q1/Q2導通，實現氣泵的充氣或排氣閥的放氣。考慮到充氣泵和排氣閥屬于感性負載，用續流二極管D1、D2以防止燒毀器件。

圖3 充氣泵、排氣閥的控制電路Fig.3 Control circuit of air pump、air release valve

3.3 電源模塊

為了降低系統功耗，在硬件電路設計中采用±3.3 V的雙電源對系統供電。整個系統的供電電源為3.7 V的鋰電池，通過DC/DC轉換芯片得到±3.3 V的電壓。

Linear公司的LTC3440是一款微功率同步升壓-降壓DC/DC變換器，能在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下操作，輸入輸出電壓范圍在2.5～5.5 V。Maxim公司的MAX660是一款電荷泵芯片，具有較高的開關頻率，較低的開關導通電阻，輸入電壓范圍在+1.5～+5.5 V，相應的輸出電壓范圍在-5.5 V～-1.5 V。因此，本系統選用LTC3440和MAX660進行電壓轉換。

3.4 存儲模塊

ATMEL公司的AT25F1024A，可以提供1 Mbits的Flash存儲容量，采用串行接口方式、低功耗、供電電壓在2.7～3.6 V。該芯片能滿足系統設計低功耗、方便攜帶以及對多次測量數據進行存儲的需求。因此，采用AT25F1024A構成存儲模塊，其與單片機的連接如圖4所示。

3.5 顯示模塊

本系統采用SO12864-12ASWE圖形點陣式液晶模塊。該模塊是具有串行接口的單色低功耗液晶，供電電壓在2.4～5.0 V。采用串行接口方式，節省了I/O口線和電路板資源，通過MSP430F149的I/O端口，模擬串口時序。液晶顯示模塊與單片機的連接如圖5所示。

圖4 存儲芯片與單片機的連接Fig.4 Connection of memory chip and MCU

圖5 液晶顯示模塊與單片機的連接Fig.5 Connection of liquid crystal display module and MCU

4 系統軟件設計

本系統采用基于放氣過程的示波法測量血壓。當袖帶壓高于收縮壓Ps時，動脈閉合，此時因近端脈搏的沖擊而呈現細小的震蕩波；當袖帶壓小于收縮壓Ps時，則波幅增大；當袖帶壓等于平均壓Pm時，動脈血管壁處于去負荷狀態，波幅達到最大值Om；當袖帶壓小于舒張壓Pd以后，動脈血管腔在舒張期已充分擴展，管壁剛性增加，因而波幅維持在較小的水平[7]。因此，只要在袖帶放氣過程中連續測定振蕩波（振蕩波一般呈現近似拋物線的包跡），獲得Om的值，及每個脈沖的幅度Ai和與之對應的袖帶壓力Pi，就可以計算出Ps和Pd。

基于以上分析，設計主程序流程圖如圖6所示，血壓測量子程序流程圖如圖7所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

系統上電后，首先對定時器、串口和I/O口進行初始化，然后檢測開始鍵是否按下。如果按下，就調用血壓測量子程序，接著將執行顯示和存儲程序，完成整個測量過程。如果開始鍵沒有按下，則判斷開關鍵是否按下。

圖7 血壓測量子程序流程圖Fig.7 Flow chart of blood pressure measurement subroutines

血壓測量的過程：一開始氣泵快速對袖帶充氣，充氣壓PB高于收縮壓Ps30 mmHg后開始緩慢放氣，當檢測不到脈搏波時袖帶快速放氣。在血壓測量子程序中，信號處理部分主要完成對脈搏波信號的分析處理，得到血壓值。

5 結論

該設計以MSP430F149單片機為控制核心，通過自行設計數據采集模塊、氣路控制模塊、電源模塊、存儲模塊和顯示模塊等硬件電路以及軟件編程，實現了對血壓準確、方便的實時測量。在硬件電路設計中，采用低功耗的元器件，并采用較低的系統供電電壓。同時，全部采用SMT封裝，所以該設計輕巧便攜。因此，該設計是一款低功耗的、攜帶方便的、實用的電子血壓計。

[1]楊玉星.生物醫學傳感器與檢測技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

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[6]洪利，章楊，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

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