基于可编程片上系统的智能电子血压计设计介绍

对以往电子血压计的不足，介绍了一种基于可编程片上系统（SOPC）的智能电子血压计的设计，血压测量的方法采用基于充气过程的示波法。该系统采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌NNIOS II软核作为核心处理器，可以完成自动测量血压、信息显示、数据存储、查看和删除历史数据等功能。由于采用了FPGA，从而简化了电路的设计，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。

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。SOPC（可编程片上系统）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。

1 人体血压测量原理

1．1血压测量

血压测量方法有很多，最常用的无创血压测量方法为柯氏音法和示波法。本文设计所采用的是基于充气的示波法。基于示波法的充气测量恰好是放气测量的逆过程，如图1所示，在压力增加（充气）过程中，检测静压力和袖带内气体的振荡波，振荡波起源于血管壁的搏动。压力较小时，在袖带静压力小于舒张压Pd之前，动脉管壁在舒张期已充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的水平。随着压力的增加，当袖带压力高于收缩压Ps时，动脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的振荡波；当袖带静压等于平均压时，波幅达到最大值；振荡波的包络线所对应的袖带静压力就间接地反映了动脉血压。

1．2 心率计算

心率指心脏每分钟搏动的次数，由于心脏与脉搏搏动一致，所以在测量血压的同时可以测得心率。心率的测定关键判断脉搏波的峰值，然后根据在一定时间内测定有多少个脉搏波，从而计算出心率。

2 SOPC系统的硬件设计

SOPC系统的硬件设计框图如图2所示。

2．1 SOPC系统电路

该部分电路由FPGA芯片、存储器以及其他外围元件组成，是信号处理的核心部分。由SOPC Builder硬件开发环境构建包括CPU、存储器接口和I／O外设的嵌入式微处理器系统。完成系统设计后，可以用SOPC Builder来生成系统。下图为在SOPC Builder中构建的系统内容配置。

SOPC系统中添加了EPCS设备控制器核，这样做的目的是做到充分利用系统资源，将FPGA的配置数据以及Nios II的软件程序固化到EPCS芯片中，为Flash芯片节省出更多的空间来存储测量结果。这时Nios II处理器的复位地址要设置为EPCS控制器的基地址，当系统复位后固化到EPCS芯片中的程序将自动下载到SDRAM中运行。

图4为由SOPC Builder硬件开发环境生成的SOPC系统的顶层模块图。

2．2 压力测量电路

2．2．1 压力传感器选型

本设计的压力传感器选择的是Motorola公司生产的MPXV5050GP压力传感器。其内部含有信号运放，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。

2．2．2 驱动电路的设计

控制气泵和电磁阀工作的信号是由FPGA发出的，气泵需要的工作驱动电流为450mA，电磁阀为75mA，而FPGA的数字I／O输出电流不能满足要求。因此，为给气泵和电磁阀提供合适的驱动电流，采用达林顿管阵列ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作。ULN2803可输出500mA的电流，分别利用ULN2803的第一路、第二路来驱动电磁阀和气泵，第三路驱动一个LED用来指示脉搏波信号。如图5所示。