隨著便攜式醫療器械的普及，其中常用的有電子血壓計。但是市面上的同類產品只能適用于偶測血壓，針對一些疾病的確診需要24小時監測病人的動態血壓，此類產品就無法滿足需要。加之對于一個家庭或者一個病人，經常需要偶測血壓，但是有時也需要監測24小時動態血壓，如果單獨為了滿足監測動態血壓市場的需要而生產動態血壓計，資源勢必有些浪費。基于上述需求，根據市場上電子血壓計的基本原理，提出了一種既能監測動態血壓又能偶測血壓的便攜式電子血壓計的設計思路。
1 設計理論
1．1 血壓測量和24小時動態血壓監測
目前，一般醫院使用水銀血壓計測量血壓，醫生可以用聽診器聽到動脈血管的不同聲音，來判斷收縮壓和舒張壓的值，這就是柯氏音法；而國內外大多數電子血壓計普遍采用的是示波法。關于示波法的測量原理參見文獻。
通常人們所測得的血壓均屬偶測血壓(Clinic Bloodpressure，CBP)。偶測血壓存在較大的局限性，它只能代表被測者當時的血壓狀況，有的人在測量時由于心情緊張或情緒波動造成血壓讀數偏高。動態血壓監測(Ambulatory Bloodpressure Monitoring，ABPM)是一種全天24小時每隔15～30 min或任選時間間隔進行的自動的無創性血壓測量及記錄方法。人體典型血壓的晝夜節律變化呈“雙峰一谷”，即清晨醒后血壓逐漸升高，在上午6：00～8：00出現第1個高峰，此后血壓趨于平穩，下午4：00～6：00出現第2個高峰，夜間進入睡眠后，血壓逐漸下降，夜間2：00～3：00降至最低。血壓的晝夜節律是否正常是判斷高血壓病情嚴重程度的良好指標，而動態血壓監測能夠反映患者全天的血壓波動水平和趨勢，對高血壓和心血管功能的評估提供極有價值的信息。
1．2 總體方案設計
動態血壓監測，是在原有電子血壓計的基礎上，增加新的功能：自動控制血壓計定時地使袖套充氣和排氣；能夠調整自動測量血壓的時間間隔，一般設定為每隔15～30 min記錄1次，為了盡可能少地干擾患者日常活動和夜間睡眠，可根據實際需要調整時間間隔，如白天每隔30 min記錄1次，夜間比白天記錄時間間隔適當延長些，可設定為每隔60 min記錄1次；能自動定時顯示收縮壓、舒張壓、平均動脈壓和脈率；增加RS-232串口通訊，方便在電腦軟件平臺上顯示動態血壓曲線；任何時候只要按下START按鈕，馬上啟動加測，并能夠在測量失敗后自動補測；4節5號標準堿性干電池(1．5 V／每節)供電，低電壓自動報警提示，更換電池后從斷點起測等。
該裝置總體框圖，如圖l所示，由微控制器控制氣泵向袖帶內充氣至一定壓力值(如180 mmHg)，確保超過收縮壓，使血流阻斷，然后控制氣閥以3～5 mmHg的速率階梯式放氣。在放氣過程中，壓力傳感器將袖帶內壓力信號轉換為電信號，電信號經過低通濾波器濾波，得到袖帶的靜壓力信號和十分微弱的脈搏信號，一路送往單片機ADC0引腳，用以轉換袖帶靜壓力信號(微弱脈搏振蕩信號可以忽略)成血壓值；另一路經過高通濾波器濾波，得到脈搏振蕩信號后，經過放大器放大分別送到單片機ADCl和AINl引腳，用以測量脈搏振蕩信號幅度和經過比較器得到標準的脈沖信號來計算脈率，當檢測到收縮壓、平均壓和舒張壓后，打開氣閥，使袖套全部放氣，完成一次測量過程，并把測量結果保存、顯示。整個測量過程由微控制器控制并完成各種計算。框圖中的主要部分在下文中將分別詳細介紹。
2 系統硬件電路的設計
2．1 模擬電路
2．1．1信號采集單元
血壓的測量范圍一般是0～200 mmHg，本文選擇Motorola公司的硅壓力傳感器MPX5050GP，其內部含有溫度補償和放大器輸出功能，可以直接與單片機接口相連，使用十分方便。MPX5050GP壓力傳感器具有如下特點：
(1)在0°C到85°C范圍的最大誤差為2．5％；
(2)溫度補償范圍：-40～+125℃；
(3)壓力測量范圍：O～50 kPa(0～375 mmHg)；
(4)供電電壓：5 V(4．75～5．25)；
(5)滿量程輸出：4．7 V；
(6)零位偏壓電壓：0．2 V；
(7)靈敏度：90 mV／kPa，反應時間1．0 ms。
本設計采用的單片機A／D轉換模塊的參考電壓為AVCC電源電壓5 V，而MPX5050GP壓力輸出為0～4．7 V，對應的血壓值為0～375 mmHg，則5 V滿量程對應的血壓值約為399 mmHg(由375×5／4．7計算可得)。由于A／D轉換器為10位，則1LSB所對應的血壓值約為0．4 mmHg(由399／210計算可得)，根據這樣計算所造成的滿刻度誤差為(0．4×210-399)／1 024～1．04％，完全能滿足設計需要。
2．1．2 模擬信號調理電路的設計
TLC2274是一款軌到軌通用四運放，具有高輸入阻抗，高共模抑制比、低輸入偏置電流、低溫漂、低噪音等優良性能，并具有較高的電流驅動能力(±50 mA)，適合于A／D轉換這一類的接口電路。TLC2274-1構成40 Hz二階低通巴特沃思濾波器，運放接成跟隨器，放大倍數為1，信號由運放同相端輸入，接成壓控電壓型(VCVS)濾波器。巴特沃思濾波器的最小條件是
中C3總是取最大的電容，通過換算確定R，以使c3=1μF，則R3=R4=R=5．63 kΩ，取特征值5．6 kΩ，C4=0．5μF。經過低通濾波器得到的直流信號一路送往ATmegal6的PA0(ADC0)引腳，另一路送到高通濾波器繼續提取微弱的脈搏振蕩信號。電路如圖2所示。
C7和R7又構成了0．4 Hz一階高通濾波器，TLC2274-3構成反相放大器，閉環放大倍數KF1可以調節到3．75倍。
TLC2274-4構成加法器，用來對脈搏信號進行相位和基線的調整，電路采取反相放大接法，增益KF2可達40倍，加上上一級放大器KF1，總增益KF=KF1*KF2=150，得到放大的脈搏振蕩信號即血壓交流成分送到單片機PAl(ADCl)和PB3(AINl)端進行處理。
2．1．3 氣閥和氣泵控制電路的設計
充、放氣裝置利用單片機控制直流電機和氣閥的動作，當單片機引腳輸出高電平時，氣泵和氣閥立即工作；輸出低電平時氣泵和氣閥立即停止工作。由于選用的megal6單片機I／O引腳只能提供輸出20 mA的電流，直流電機和電磁閥的額定電流都達幾百毫安，因此選用集電極電流2 A、基極電流50 mA的TIPll2達林頓晶體管進行驅動，如圖4所示。通過控制TIPll2的基極電平，實現袖帶的充氣和放氣。由于氣閥和氣泵內部有線圈，屬于感性負載，需用續流二極管D1，D2以防止燒毀器件。放氣采用單片機的PWM輸出實現控制氣閥階梯放氣。采用常開氣閥，系統復位時自動放氣，避免氣閥損壞時出現危險。
2．2 數字電路
系統的數字電路單元以單片機為核心，完成A／D轉換、充放氣控制、數據存儲和數據傳送的任務。綜合各方面考慮，選用了AVR單片機ATmegal6作為主控制器，它內置模擬比較器和八路10位ADC，21個各種類型的內外部中斷源，3個內部定時器／計數器(包括捕獲功能)，以及UART，SPI，TWI等豐富的總線資源；外圍器件采用DSl302時鐘芯片、AT24C256存儲芯片和通過MAX232電壓轉換芯片實現與上位PC機的數據傳送；同時具有JMl2864M漢字圖形點陣液晶顯示、鍵盤、蜂鳴器等人機接口器件，如圖5所示。
為了實現電池供電系統檢測到電池電量低時自動鳴響蜂鳴器報警和在液晶上提示電量不足，本設計采用專用看門狗芯片MAX813L，MAX8-13L不僅可監控微控制器，而且在系統加電、斷電和電壓降到復位門限值(電壓降至4．65 V，PFI引腳門檻電壓為1．25 V)時，輸出復位信號和中斷信號。
按鍵設有SET，UP，DOWN，START，AUTO鍵，分別用以設置時鐘、動態監測開／關及時間間隔設置、上下時間調整／歷史記錄查閱、啟動檢測血壓和啟動動態血壓自動監測。
3 系統軟件設計
系統軟件包括采集信號處理程序，串口驅動程序，氣泵氣閥驅動與控制程序、時鐘、存儲、顯示器及鍵盤、蜂鳴器等相關的接口程序的設計。系統軟件總體框圖如圖6所示。
3．1 采集和信號處理
本系統采用ATmegal6內部集成的10位的逐次逼近型ADC和7．372 8 MHz外部晶振，根據Nyquist采樣定理，采樣頻率應大于等于被采樣信號最高頻率的兩倍，以免采樣后的信號發生頻譜的混疊。同時考慮到選用的氣泵、氣閥有自動緩慢放氣的特點，將采樣頻率設置為200 Hz、選擇AVCC作為ADC的參考電平，轉換結果為ADC=(VIN×1 024)／VREF。ADC模塊的工作時鐘由系統時鐘經過128分頻提供，轉換周期由T／C0定時控制，定時器T／CO的時鐘源采用系統時鐘1 024分頻，運行于普通模式，因采樣頻率是200 Hz，則采樣周期是5 000μs，定時初值TCNT0=
256-7．372 8×5 000／l 024=0 xdc。轉換模式選擇自動轉換觸發工作模式，在定時溢出中斷中運行A／D轉換程序，A1通道轉換完成之后，直接改變通道，開始A0通道轉換。
為了最大限度地利用A／D轉換的采樣速率，用中斷實現A／D轉換后的數據處理。當A／D轉換完成后觸發中斷，在嵌套中斷服務程序中，將采樣結果進行簡單預處理。由于在信號采集過程中，經常會遇到尖脈沖干擾的現象，為避免采集到的是干擾信號，在一次定時中斷服務子程序中連續進行4次模數轉換，得到4個連續的數據，然后進行防脈沖干擾數字濾波。在此，采用簡單有效的均值濾波法，即對4個數據進行比較，去掉最大值和最小值，然后計算余下的2個數據的算術平均值，視該算術平均值為所需的模數轉換結果。這樣即可濾除脈沖干擾又可濾除小的隨機干擾，使測量更準確。
由于定時器T1具有2個比較匹配寄存器(OCRlA、OCRlB)，故可通過兩個I／O口PC6、PC7產生PWM信號分別控制氣泵和氣閥的開關。T／C1是這樣工作的：選擇T／C1的計數長度為16位，工作于快速PWM模式，時鐘源來自系統時鐘經過1 024分頻，當定時器T1產生溢出中斷前，首先比較匹配中斷觸發，氣閥工作；定時器T1繼續運行直到溢出，氣閥停止運行。改變定時初值TCNTl和OCRlA、OCRlB的值，可以改變氣閥、氣泵運行的頻率和輸出脈沖的占空比。為保證測量工作能可靠進行，應使系統能夠實現出錯檢測和自動恢復。
脈搏信號輸入ADC模塊ADCl通道的同時，也被輸入到模擬比較器的負極AINl，芯片內部的固定能隙參考電源1．23 V將代替正極AIN0的輸入，比較器輸出ACO觸發定時器T1的輸入捕獲功能，當捕獲到脈沖信號的變化時，計數寄存器TCNTl(TCNTlH，TCNTlL)的值被傳送至輸入捕獲寄存器ICRl，并賦予時間標記以說明該事件的發生時刻，從而計算出脈率。
3．2 數據存儲
以單片機為核心的儀表要考慮發生斷電時的數據保存問題，本系統需要保存的數據依次為受檢者的收縮壓、舒張壓、平均壓、脈率以及時鐘芯片DSl302的月份寄存器、日期寄存器、小時寄存器、分鐘寄存器。前3個參數每個參數占2 bit，脈率等后5個參數各占l bit，一次測量僅需要11 bit的長度存儲數據。
假設白天(am 6：00～pm 10：00)每隔15分鐘測量一次，共測64次；夜間(pmlO：00～次日am 6：00)每隔60分鐘測量一次，共測8次；則一天共測量72次，需要11×72=792 bit。加上偶側血壓記錄值的考慮，選用容量為32 kB的串行I2C總線E2PROM——AT24C256。AVR的TWI接口是兼容I2C總線的硬件接口，使用硬件接口編程比軟件模擬簡單，代碼短，效率也高。
4 結束語
設計的便攜式電子血壓計具有成本低、功耗低、自動化程度高的優點，具有便攜和易操作的特點，滿足了人性化和連續監測動態血壓的要求。文中給出了完整的設計方案及詳盡的資料和數據。以ATmegal6為控制核心，輔以壓力傳感器、外圍模擬以及數字電路，確保了該血壓計設計的合理性和可行性。