利用半导体压力传感器和ARM实现便携式心血管无创检测系统设计

目前对心血管健康状况的检测方法大多数是应用于医院的临床诊断，有的是有创伤性的，给人体带来痛苦甚至感染；有的需要专业医生操作，检测过程非常繁琐。特别是大多数心血管功能参数的检测仪器比较笨重，价格不菲，不适用于普通家庭用户的使用。

本文利用半导体压力传感器获得桡动脉处的脉搏波信号，压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

1 检测原理

人体血液循环系统包括心、血管系和淋巴系，它是人体内一套封闭的连续管道系统，分布于身体各部。心血管系由心、动脉、静脉和连于动、静脉之间的毛细血管组成，其中有血液循环流动。心有节律的收缩，是血液循环的动力，它将血液射入动脉，流经庞大的毛细血管网，再经各级静脉流回心。血液在毛细血管内流动缓慢，经过极薄的毛细血管壁与周围的组织和细胞进行气体交换和物质交换。组织间隙内的水分和代谢产物等，除由毛细血管回收，沿静脉回流入心外，还有第二条回流渠道，即由淋巴系回流入心。淋巴系由淋巴管道、淋巴器官和淋巴组织构成，起于器官和组织内呈盲端的毛细淋巴管，借其回收一部分组织液而成为淋巴液，沿淋巴管回流，最后由淋巴导管汇入静脉。血液循环系统是血液在体内流动的通道，分为心血管系统和淋巴系统两部分，一般我们所说的循环系统指的是心血管系统。它又由体循环和肺循环构成。图1给出了弹性腔分室网络理论的示意图。

2 仪器设计

2.1 硬件设计

心血管功能参数无创检测仪的系统框图如图2所示。该仪器以32位ARM单片计算机LPC2114为核心，ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。包括传感器、充/放气自动控制电路、信号调理电路、液晶显示器LCD、外部存储器、实时时钟（RTC）电路、键盘、电源管理、USB接口等几部分。

2.1.1 嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的４位处理器，目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。常见的嵌入式处理器的比较如表1所示。

考虑到本系统有低成本、低功耗、便携式的要求，所以选用ARM处理器。ARM处理器的特点是处理速度快、超低功耗、开发资源丰富、价格低廉易购买，非常适合本系统的要求。具体芯片选择PHILPS公司的32位ARM处理器LPC2114。ARM处理器是一个32位元精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。

2.1.2 传感器

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。系统采用两种传感器：一个是专门用于血压测量的压阻式传感器。另一个是半导体应变片式压阻传感器，用于采集腕部的脉搏波。半导体式传感器[5]主要由敏感元件、转换元件和基本转换电路构成。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

血压传感器选用***生产的压阻式传感器MPS3100，其特性包括：气压范围0-300mmHg，工作温度范围-40℃～85℃， 易用、易安装于OEM设备、低价位SMD封装，工作电源5V，因此MPS3100是一款非常适合于血压测量的传感器。具体电路如图3所示。

2.1.3 信号调理电路

由于脉搏波信号属于微弱、低频信号，幅度只有10mV左右，所以需要设计两级信号放大电路。本仪器采用程控放大电路，并根据采集到的信号大小，利用软件控制不同的放大倍数，使信号输出的幅度在0.8V左右，具体电路如图4所示。在采集脉搏信号时，必须施加预压力，因此检测到的脉搏信号中包含一直流分量。为了提取到有用的脉搏波信号，在二级放大电路前加了一个电容来滤掉这个直流分量，由IC9高精度运算放大器再次将经IC8放大的已经不含直流分量的信号放大，并且通过IC7来控制信号的增益。

2.1.4 键盘和液晶显示

显示部分选用青云公司的液晶显示屏LCM192641，大小为120mm×62mm×12.5mm，其供电电源为5V，带有背光，控制器是KS0107，STN 黄蓝模式。测量之前要求输入个人的资料，例如：身高、体重、年龄以及时间的调整以及测量操作需要按键。

本设计采用薄膜键盘，它具有外形美观、防水防尘防腐蚀、寿命长、性能稳定、按键反应灵敏、操作力均匀、无短路现象以及装配方便的特点。仪器的键盘为28矩阵键盘，包括10个数字键0～9，4个方向键（上、下、左、右），“返回”和“确定”键。采用扫描输入方式。如图5所示，行线Key1、Key2的一端通过电阻接正电源，另外一端作为输出端接LPC2114的I/O口。列线DB0～DB8作为输入端接ARM的I/O口。这样，当没有键按下时，两路输出均为高电平。若行线输出为低电平，一旦有键按下，则对应输入的列线电位就会被拉低，通过读入线的状态就知道是否有键按下。

2.1.5 电源管理

系统采用电池和电源适配器两种方式供电。供电电池采用四节1.5V碱性电池，电源适配器采用输出为6V的适配器，使仪器的使用更加方便。其电路如图6所示。图中，P8为电源适配器接口，电源适配器可通过D2和IC17将电压稳定在6V，然后对电池BAT进行充电。

仪器电源的开关由键POWER控制。未开机前，三极管TR16截止，系统内部没有电源供应。POWER键为点动开关，按下时Vbat经R122和D7接地，三极管TR16导通，电源开始给LPC2114及外围电路供电。程序运行的过程中，LPC2114始终将VCON置高电平，使TR17导通。虽然此时POWER键断开，但因为TR17导通，使三极管TR16的B极电位拉低，TR16导通，电源仍然正常供电。图6中，OPEN接到LPC2114的一个外部中断口，仪器在运行的过程中，按下电源键POWER并放开，OPEN产生上跳沿，引起中断，在中断服务函数中设置VCON为低电平，使三极管TR17截止，同时三极管TR16也随之截止，从而切断电源，实现关机的功能。

2.2 软件设计

为了实现系统工作的稳定性、软件的可移植性并且便于日后升级，32位ARM单片计算机采用嵌入式操作系统是非常必要的。本系统采用源代码公开的μC/OSII操作系统，μC/OSII具有内核小、结构简单、可移植性和可裁剪性好等优点。应用程序中包括若干个任务：液晶显示、键盘扫描、USB通讯、外部存储、充/放气控制、测量任务、打印等，在测量任务中实现脉搏波和血压的测量。脉搏波信号和血压信号是通过两个独立的传感器分别采集处理的，首先采集脉搏波信号，并对其放大、滤波、平均化、归一化等处理后，计算脉搏波的特征点的特征值并保存；然后采集血压信号，在放气过程中，提取脉搏波的峰值组成的包络线，利用示波法计算血压和心率；最后通过血压、心率、个人信息和已存的脉搏波特征值推算心血管参数。

3 测试结果

将本仪器用于人体心血管多参数的测量，共测量了56例无明显心血管疾病病史的在校教师和学生，其中男生30例女生26例；年龄从20岁～54岁，然后对测量数据进行统计分析，实测人群的心血管参数如表2所示。

利用便携式心血管无创检测仪能够测量血管、心脏、血液、微循环四类参数。实验结果表明，仪器的重复性好，性能稳定，测量结果准确，能够较好地反映相应的心血管健康状况。特别是该仪器摆脱了传统心血管检测仪器对计算机的依赖，采用一体化的设计，操作方便快捷、结果简单直观、重量轻、体积小，适合个人及家庭的心血管多参数快速的检测。