基于STM32L的便攜式動態血壓監測儀優化設計

劉夢星，周樂川，黃超，葉樹明，陳杭

1 浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，杭州市，310027

2 浙江大學生物醫學工程教育部重點實驗室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術與藥效評價重點實驗室，杭州市，310027

基于STM32L的便攜式動態血壓監測儀優化設計

【作 者】劉夢星1,2,3，周樂川1,2,3，黃超1,2,3，葉樹明1,2,3，陳杭1,2,3

1 浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，杭州市，310027

2 浙江大學生物醫學工程教育部重點實驗室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術與藥效評價重點實驗室，杭州市，310027

基于ARM Cortex-M3內核的32 bit超低功耗微控制器STM32L151RBT6，研制出由兩節5號電池供電的便攜式動態血壓監測儀：提出運用超級電容技術解決電源穩定性問題，并設計新型安全邏輯電路來防止袖帶過壓。實驗結果表明，該解決方案準確穩定且安全系數高，具有很強的臨床應用價值。

動態血壓監測；便攜式醫療儀器；STM32L；超級電容；安全電路

0 引言

動態血壓監測（Ambulatory Blood Pressure Monitoring，簡稱ABPM）能排除傳統血壓測量時的偶然性，避免因被測者情緒、運動、進食等因素而造成影響[1]，可以更客觀地評價患者24 h生活中的血壓變化水平，從而對慢性心血管疾病的早期確診和預防起到重要幫助。此外，臨床常通過動態血壓監測，更加精確和個性化地對高血壓患者進行藥效評估，從而指導給藥[2]。

區別于傳統血壓計，動態血壓監測儀的設計對功耗、體積重量、安全防護和運動干擾等方面提出了新的要求。同時，降低儀器設計成本，有利于提高動態血壓監測的普及度，進而能積極推動社區醫療與家用醫療的進程[3]。因此，緊密跟隨半導體技術的發展步伐，研究和改進動態血壓監測儀的設計方案，具有重要意義。

本文基于袖帶式示波法血壓測量原理[4]，圍繞儀器設計中的關鍵問題，研制了基于新型32 bit超低功耗MCU的動態血壓監測儀，整體解決方案具備低功耗、高穩定性和安全系數高等特點。

1 系統整體方案

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Hardware block diagram of this system

系統框圖如圖1所示，本設計選用低功耗、高性價比的STM32L151RBT6作為監測儀的主控制器。STM32L是由意法半導體推出的業界首款基于ARMCortex-M3內核的32 bit超低功耗微控制器系列，其高集成度外設、高運算效率和低成本優勢，已超越16 bit超低功耗MCU，甚至在各模式的功耗水平上，也不遜色于16 bit系統。

基于該MCU，本系統在實時時鐘（RTC）的定時觸發下，通過驅動電路控制泵閥啟停，從而對人體上臂袖帶進行充放氣；主壓力傳感器輸出電信號，經模擬電路濾波、放大后，利用STM32L內部12 bit SAR型ADC轉化為數字信號；經32 bit處理器內核計算得出血壓值，并將其與全過程壓力波形保存至外部Flash；按鍵、OLED顯示屏、蜂鳴器作為人機交互設備，24 h動態監測結束后，可通過USB、藍牙或紅外通訊方式，讀取全程數據，從而利用上位機作進一步分析、管理和報表。

2 儀器設計優化分析

2.1 模擬信號采集

示波法又稱壓力振蕩法，主要通過袖帶充氣阻斷人體上臂動脈血流，然后在勻速放氣過程中利用壓力傳感器提取脈搏波，進一步計算血壓值。本系統選用MP3V5050GP型集成壓力傳感器，其特性如下：(2.7～3.3) V電源供電，壓力輸入范圍(0～50) kPa；片上全范圍溫度補償，精度、線性度與可靠性高。其電壓傳遞函數如(1)式所示，其中：VS為電源電壓，P為輸入壓力，VERROR為偏置誤差。

可見，在電源電壓恒定的條件下，壓力轉換的主要誤差由VERROR項引起。實際充氣過程中，可利用兩點求直線方法進行函數標定，確定當前VERROR值，從而減小誤差，提高測量準確度。

啟動測量后，STM32L通過內部TIM定時器輸出PWM波，利用外部功率MOS管驅動泵閥，實現袖帶充放氣。在此過程中，壓力傳感器輸出對應電壓值，經圖2所示的模擬信號調理放大電路后，產生袖帶靜態壓力和脈搏波信號，輸入至片上ADC。

2.2 電源系統

圖2 模擬信號放大電路Fig.2 Analog signal amplifer circuit

電源結構與性能的優劣是決定儀器能否穩定運行的關鍵因素，與傳統血壓計不同，動態血壓監測儀的電源設計格外講究：

(1) 醫院臨床為了提高診斷效率，往往要求動態監測設備使用干電池供電，便于轉換就診對象[5]；

(2) 單個患者通常隨身攜帶該設備24 h以上，全程血壓測量超過50次[6]，減少電池數量、充分利用電池低壓段的電量，有利于降低整機體積重量并延長測量次數。

如圖3所示，利用兩節5號電池給系統供電。選用額定電壓為3 V的低壓隔膜泵(平均工作電流約400 mA)、開關閥（常開，閉合電流約100 mA）和線性閥(工作電流約110 mA)，電池輸出電壓3 V-VBAT直接給開關閥供電，用于快速放氣與安全放氣；VBAT經初級DC-DC轉換器TPS61030升壓至4.2 V-MVCC，為泵和線性閥供電，該DC-DC轉換效率高、靜態功耗20 μA、1.8 V低電壓輸入條件下的最大輸出電流可達1 A，滿足系統功率要求。

圖3 電源系統設計框圖Fig.3 Block diagram of power supply system

然而，如圖4所示：在泵閥啟動瞬間，系統功耗會高于1 A，干電池輸出功率有限，電池電壓瞬態下陷，造成MVCC短程降低，若MVCC直接耦合至線性穩壓芯片的輸入端VCC，將引起3.3 V-DVCC瞬時掉電，造成單片機復位，影響系統穩定工作。隨著測量次數的積累，電池電壓逐漸降低，上述現象越來越明顯，倘若早期就利用電源監測中止測量，將造成有效電量的不合理浪費。

圖4 低壓啟動時的電源變化Fig.4 Change of power signals on low voltage startup

因此，提出使用超級電容器SC進行局部儲能，在MVCC與VCC之間串聯充放電轉換電路。超級電容又稱電化學電容器，具有功率密度高、循環壽命長和充放電時間短等突出優點[7-8]，恒流放電特性如圖5所示，設電容C=0.1 F，V0=4.1 V，V1=3.4 V，恒定電流I=20 mA，對超級電容放電時間估算：

其中RESR為超級電容等效串聯阻抗，忽略內部損耗，得：

圖5 超級電容恒流放電曲線Fig.5 Constant current discharge of super-capacitor

在非功率啟動時期，MVCC經D1與限流電阻R1對SC進行快速充電，同時給系統供電；泵閥啟動或電源意外斷合瞬間（如儀器摔落、碰撞等），超級電容通過D2放電，可短時支撐數字系統穩定工作數秒。

2.3 過壓安全防護

對于以微控制器為核心的數字式血壓測量系統，尤其針對完全自主測量的動態血壓監測儀，電磁干擾、機械振動、元件老化等諸多不確定因素將影響充放氣控制，對設備的使用安全造成隱患。因此，必須額外設計完善的氣壓過充保護電路。

如圖6所示，過壓防護過程共經歷3個步驟，任意環節發生異常，都將導致安全防護功能失效。因此，針對每一步，均設計了兩重保護措施，如圖7所示。若主壓力傳感器發生異常，可檢測副壓力傳感器，獲取當前靜態壓力值；若線性閥（又稱比例閥）出現機械故障，安全閥將起到安全放氣的作用；然而，最易發生異常的當屬中間的“邏輯控制”環節。

圖6 過壓防護過程Fig.6 The process of overpressure protection

圖7 過壓安全邏輯電路Fig.7 Safety logic circuits for overpressure protection

圖8 安全邏輯電路的工作流程圖Fig.8 Workfow charts of the safety logic circuits

結合圖7和8，可將“邏輯控制”分為3條并行安全反饋通路：

(1) MCU正常，定時喂狗，利用兩路AD監視袖帶靜態壓力，若到達充氣閾值(PD，單位mmHg)，則直接控制泵閥放氣。

(2) MCU異常(主要為程序跑飛、內核異常等)，看門狗發出“叫聲”，清零D觸發器，與門輸出低電平，關閉總控制開關。

(3) MCU異常(ADC模塊或控制泵閥的IO管腳出現異常)，壓力超過參考閾值(REF)，比較器發生翻轉，進而泵閥斷電。

3 實驗及討論

3.1 電源監測

結合圖3和9，分析超級電容改善電源穩定性的實際效果。實驗條件：電池電壓2.6 V，升壓至MVCC為4.2 V；STM32L輸出60%占空比驅動泵閥，其等效工作電壓約2.5 V；MVCC利用低壓差LDO穩定DVCC至3.3 V。

分別放置470 μF和1 500 μF電解電容至SC位置，如圖9(a)和9(b)所示，隨著電容局部補償功率的提高，在泵閥啟動瞬間，因電池輸出功率不足導致的DVCC下跌現象有所緩解。然而，一般電解電容漏電大、功率密度低、體積大等弊端，限制了儀器的便攜性，因此，使用ELNA的0.1F超級電容(12 mm×6 mm×5 mm)，由圖9(c)可見：超級電容在泵閥啟動瞬間，等效充當數字系統的備用電源，MVCC快速恢復，DVCC平穩工作，消除了系統復位風險。

圖9 不同電容補償下的電源監測信號Fig.9 Power signals under different capacitors

此外，利用該電源方案，在24 h監測過程中，儀器意外碰撞、內部接插件松動等常見故障出現時，都幾乎不影響系統的穩定運行。

3.2 安全仿真測試

實際工作中，造成儀器發生異常的因素具有不確定性。因此，針對安全邏輯電路，可通過軟硬件模擬仿真的辦法，驗證其有效性與可靠性。

結合圖8所示，設計3項嵌入式軟件測試用例，分別做300次重復試驗，記錄安全放氣的次數。表1測試結果表明，安全邏輯電路簡單可靠，能有效實現過壓保護。

表1 安全邏輯電路測試Tab.1 Tests of the safety logic circuits

3.3 工程樣機

圖10 樣機實物及其測試散點圖Fig.10 Physical prototype & its test scatter diagram

如圖10所示，為優化設計后的工程樣機實物，儀器內置血壓測量算法，以FLUKE?BP Pump2模擬器作為標準被測對象，設置4組不同的收縮壓（SBP）和舒張壓(DBP)，記為(SBP，DBP)：(80，50)、(100，65)、(120，80)、(150，100)，單位mmHg (1 mmHg=133.32 Pa)。每組實驗連續監測24 h，每隔30 min定時測量，實時計算收縮壓、舒張壓及心率值，并將結果與波形數據保存至外擴Flash中。散點圖可見：測量結果的誤差范圍在±3 mmHg內，滿足美國醫學儀器進展協會（AAMI）的±5 mmHg標準[9]。

3.4 同類儀器比較

表2將本儀器與國外典型產品作對比，顯然：本設計在使用2節5號電池供電的條件下，有效測量次數可達300次以上，即功耗、體積和重量等指標具有明顯優勢；測量準確度相當。

此外，本儀器利用獨立看門狗與D觸發器相結合的安全邏輯組合，擴充副壓力傳感器與安全閥，相比其它儀器的雙CPU等方案，具有低成本、生產調試便捷等優點。

4 結語

表2 同類儀器比較Tab.2 Comparison of similar instruments

本文提出以ARM公司低成本、高能效Cortex-M3內核的32 bit微控制器STM32L151RBT6為基礎；利用超級電容局部儲能，在泵閥啟動瞬間，抑制數字系統電源跌落現象；通過外擴邏輯控制電路來增強系統的安全性。實驗結果表明，該解決方案優化后的儀器，在性能指標上，毫不落后于國外知名產品，進而更好地滿足了臨床日益增長的使用需求。

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[9] 于斌. 動態血壓監護儀的開發與實現[D]. 燕山大學, 2004.

Optimal Design of Portable Ambulatory Blood Pressure Monitor Based on STM32L

【Writers】Liu Mengxing1,2,3, Zhou Lechuan1,2,3, Huang Chao1,2,3, Ye Shuming1,2,3, Chen Hang1,2,3
1 College of Biomedical Engineering & Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Key lab of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
3 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal, Hangzhou, 310027

ambulatory blood pressure monitoring, portable medical instrument, STM32L, super-capacitor, safety circuit

TH772

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.009

1671-7104(2014)05-0345-05

2014-01-23

劉夢星，E-mail: mason_liu_bme@163.com

葉樹明，副教授，E-mail: ysmln@vip.sina.com

【 Abstract 】Based on the 32-bit ultra low power microcontroller STM32L151RBT6 using ARM Cortex-M3 kernel, the portable ambulatory blood pressure monitor powered by two AA batteries was designed. In order to insure the stability of power supply and prevent overpressure of cuff, super capacitor technology and new kind of safety logic circuits were used. The experimental result shows that: this solution is accurate and stable, which has high safety coeffcient and a great clinical application value.