基于可编程片上系统的智能电子血压计设计方案

一、引言

血压是反映心血管系统状态的重要生理参数，合适的血压是维持人体正常新陈代谢的必要条件。随着人民生活水平的不断提高以及城市老龄化程度的提高，人们自我保健意识逐渐增强，电子血压计具有低成本、小型化、自动化程度高等优点，如今已作为家庭必备的保健用品，倍受人们的青睐。

可编程片上系统（SOPC）是Altera公司提出的一种灵活、高效的SOC解决方案。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。它可以将MCU、DSP和FPGA完美结合，有非常好的发展前景。本文介绍了一种基于SOPC的智能电子血压计的设计方案，该方案采用示波法进行血压测量，具有自动测量血压、信息显示、数据存储、查看和删除历史数据等功能。

二、系统总体设计

2.1 系统框图

本系统主要由FPGA芯片、存储器、压力传感器、气泵、电磁阀、A/D转换模块、LCD显示器、电源管理模块等组成。

2.2 主控芯片

本系统采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入NNIOS II软核作为核心处理器。FPGA的型号为Cyclone II系列EP2C35F672C6，该型号具有丰富的逻辑单元和I/O接口，可以满足系统设计的需求。NNIOS II软核处理器是一种可配置的32位RISC处理器，可以灵活地配置处理器的性能和外设接口，从而实现高效的系统控制。

• 型号：Cyclone II系列EP2C35F672C6

• 作用：作为系统的核心处理器，完成自动测量血压、信息显示、数据存储、查看和删除历史数据等功能。

2.3 压力传感器

压力传感器用于将动脉血液对血管壁的压力转换为电信号。本系统采用Motorola公司生产的MPXV5050GP压力传感器。该传感器内部含有信号运放，具有信号调节功能，有良好的线性度，可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0.2～4.7V的电信号，对应的血压值为0～375mmHg，与血压计的设计要求非常匹配。

• 型号：MPXV5050GP

• 作用：将动脉血液对血管壁的压力转换为电信号，供后续处理。

三、硬件设计

3.1 信号处理电路

从压力传感器出来的信号是脉搏波的振荡信号和静压力信号的混合信号，还夹杂着来自外界的高频干扰、直流或低频分量。因此，需要对混合信号进行处理，提取出有用的血压信息。

信号处理电路主要由低通滤波器、带通滤波器、放大电路和A/D转换模块组成。低通滤波器用于提取静压力信号，带通滤波器用于提取脉搏波信号。放大电路用于对脉搏波信号进行放大，以提高A/D转换的精度。A/D转换模块用于将模拟信号转换为数字信号，供后续的数字信号处理算法使用。

3.2 气泵和电磁阀控制电路

气泵和电磁阀用于控制袖带的充气和放气过程。控制气泵和电磁阀工作的信号是由FPGA发出的。由于FPGA的数字I/O输出电流不能满足要求，因此采用达林顿管阵列ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作。

• 气泵驱动电路：采用ULN2803的第一路驱动气泵，气泵需要的工作驱动电流为450mA。

• 电磁阀驱动电路：采用ULN2803的第二路驱动电磁阀，电磁阀需要的工作驱动电流为75mA。

3.3 显示模块

显示模块采用128×64点阵LCD显示器，用于显示测量结果和用户操作界面。LCD显示器具有操作简便、界面友好的特点。

• 型号：128×64点阵LCD显示器

• 作用：显示测量结果和用户操作界面。

3.4 数据存储模块

数据存储模块采用Flash芯片，用于保存测量结果和历史数据。Flash芯片具有容量大、读写速度快、功耗低等优点。

• 型号：根据系统需求选择合适的Flash芯片

• 作用：保存测量结果和历史数据。

四、软件设计

4.1 软件工作流程

系统的软件工作流程如图2所示。当用户测量血压时，按下“测量”按键，SOPC系统发出控制信号给气泵，开始加压充气。充气的过程中，来自压力传感器的血压信号经放大、滤波后送入A/D转换模块，信号经A/D转换后送入SOPC系统执行相应的信号处理算法，计算出心率、收缩压和舒张压的值。SOPC计算出测量值以后，保存本次测试结果至Flash芯片，如果测量结果正常，则LCD显示出所测的数据并执行快速放气操作；如果测量出的结果超出正常范围，则显示相应提示信息，同时发出警报声音和放气控制信号。

4.2 信号处理算法

信号处理算法部分主要是对采样的脉搏信号进行处理，包括采用数字滤波算法对各种干扰噪声信号进行识别与去除，改善脉搏波的包络线等，以提高电子血压计在测量血压时的抗干扰能力与测量精度。

具体的信号处理算法包括：

1. 数字滤波算法：采用低通滤波器和带通滤波器对信号进行滤波，去除高频干扰和低频分量。

2. 特征点提取算法：根据脉搏波的包络线提取特征点，用于计算收缩压和舒张压。

3. 心率计算算法：根据脉搏波的峰值计算心率。

4.3 数据通信协议

本系统支持多种无线传输方式，如蓝牙、WiFi等，可以将测量结果无线传输至通讯设备并同步上传到云计算服务器或客户指定的服务器。配套的APP软件可以将数据传输到每个用户对应的ID下，实现多用户系统管理，单用户自主查看。

五、系统测试与结果分析

为了检验本设计的测量结果，将此电子血压计与市面上评价比较好的欧姆龙HEM-7012型电子血压计分别对不同的个体进行了测量。从多组测量结果的对比可以看出，虽然测量结果存在一定的误差，但本血压计对不同的测量者具有良好的个体适应性。与欧姆龙电子血压计相比，本血压计测得的血压结果略有偏大，这是因为电子血压计采用基于充气过程的示波法，特征点的确定只能依赖采集样本的统计归纳，有一定的离散性。此外，在测量过程中，压力传感器输出信号以及放大、滤波等电路的输出信号都可能与真实值之间存在一些小的差异，因此会存在一定的误差。

六、结论

本文提出了一种基于SOPC的智能电子血压计设计方案，该方案采用示波法进行血压测量，具有自动测量血压、信息显示、数据存储、查看和删除历史数据等功能。系统采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入NNIOS II软核作为核心处理器，简化了电路的设计，提高了系统的可靠性和稳定性，并且使系统具有较强的可扩展性，有利于系统的升级。实验结果表明，该血压计对不同的测量者具有良好的个体适应性，测量结果准确可靠。