一 … … … … ～ … ～ … … 、 ～ … … … 一 … … … ～ 一 ～ 基千 MSP430韵示淑 虹医试设计 基 于 MSP430的 示 波 法 血 压 计 设 计 朱 品伟 。 罗 印升 (江苏技术 师范学院，江苏 常州 213001) 摘 要 ：本 文介绍 了一种 采用 示波法进 行测量 的 电子血 压计设 计 ，该 系统 以美 国 TI公 司的 MSP430F449单 片机 为控制 核 心。应用仪表 放大器 INA128对微 小信 号进行放 大 ，通过 LM324对 信号进 行滤 波调理 ，采 用幅度 系数 法确定 舒张压和 收缩压 的 时间位 置 ，辅 以 串口通 信和 时钟控 制等功 能芯 片，较好地 实现 了对血压 的准 确测量 。 关键词 ：示波法 ；血压 计 ；MSP430 中 图分 类号 ：TP368．1 文献标 识码 ：B 文章编 号 ：1817—0633(2008)11-0049—02 Design of Oscillography Blood-pressure M eter Based on M SP430 (Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China) ZHU Pin-wei， LUO Yin—sheng Abstract：This paper presents the design of an electronic blood pressure meter with oseillography．It adopts a single—chip mi— croc omputer MSP430F449 manufactured by American TI Company as the control kerne1．Firstly the tiny sign al is amplified by the special chip INA128，and then，the am plified signal is filtered and conditioned by the OP amp LM324．Th e time and location of the diastolic pressure and systolic pressure is determined wi th the amplitude coefficient method，as sisted with the serial and cloc k control chips，the system has realized accurate measurement of blood pressure． Keywords：Oscillography；Blood-pressure Meter；MSP430 1 引言 血压是人体重要的生理 指标 之一 ，电子血压计是一种新型 的血压测量仪 。水银式血压计无法 由被测者 自行操作 ，且必须 由 专业 医护人员操作 ，肉眼观察误 差极大 ，主观性强 ，体积 较大不 易携带 。而 电子式血压计 由于其操作 简单 、使用方便 ，正成为家 庭 保健和 高血压 患者 自我监测 血压 的好帮手 。本 文介绍 了 以 MSP430F449单片机为控制核心 ，采用示波法进行测量的 电子血 压计 。整个系统 由气压传感器 MPS2107、仪表放大器 INA128、运 放 LM324等芯片组成 ，实现了家用 电子血压计 的设计。该设计具 有低成本 、小型化、低功耗的特点 。 2 示波法测量血压的原理 示 波 法 是 根 据 在 袖 带 内压 力 下 脉 搏 波 幅 度 变 化 的 特 征 ，来 识别动脉收缩压和舒张压。采用示波 法测 量血压不能从某一脉 搏波信息 中获得血压数值 ，而必须根 据排 气过程中脉搏波随袖 带压力变化的趋势图来判断血压值 。示波 法测 量收缩压和舒张 压 的经验判别标准很多 ，但 目前还没有公认的标准。大体可分为 两大类：波形特征法和幅度系数法 。本文采 用幅度系数法。 幅度系数法又称 归一法 。它是将 脉搏 波振 动信号的幅值与 信号的最大幅值相比 ，进行归一化处理 ，通过确定 收缩压 和舒张 压 的归一化系数来识别 收缩压与舒张压 。动脉振动 脉搏 波的幅 归 — — 化 值 SP M AP DP 圈 1幅度 系数法原理 2008年 11月 第 11册 总第 91册 度在 收缩压 以前和舒张压以后波形 都较小 ，通过前人 的研究 ，脉 搏 波的归一化值 和袖带压力的关 系如图 l所示【l】。 在 图 1中 ，As为收缩压 SP对应的脉搏波幅度，Am为平均压 MAP所对应的脉搏波幅度 ，Ad为舒张压 DP对应的脉搏波 幅度 ， As／Am为收缩压的归一化值 ，Ad／Am为舒张压的归一化值 ，CP为 袖带压 ，横 坐标代表排气过程 中袖带内压力的不 断减小 。AdAm= C1，Ad／Am=C2，在脉搏波最大幅度 出现之前 ，当某一脉搏波 幅度 与最大幅度的比值等于 c1时 ，此时对应 的袖带压力为收缩压。在 脉搏波最大幅度 出现之后 ，当某一脉搏 波幅度 与最大 幅度 的比 值等于 c2时 ，对应的袖带压力 为舒张压 。只要测 出每个脉搏波 的幅值和对应的静压力 ，就可 以计算出收缩压和舒张压 ，同时根 据采样频率和相邻脉搏波之 间的间距 ，可以计算 出心率。根据参 考文献 ，本文取 C1=0．58，C2=0．77。[21 3 系统控制电路设计 3．1 工 作 原 理 MSP430通过 P3．0引脚控制 6V的直流气泵 ，P3．1引脚控制 KSV05B一6J型电磁 阀，通过气 泵和电磁 阀配合可调整袖带 内气 压 ；先 给袖套充气至 180mmHg，然后以每秒 4mmHg的速度排气。 在排气 过程 中，袖套气压 经过 MPS2107传感器 芯片转换成 0～ MPS2107 气压传感器 DS1302 时钟 控 制 160段 液 晶 MSP430F449 图 2系统结构示意图 

一 、 ， 一 … … … 一 … … … 一 … 一 … ～ … … ， w … … … 一 … · … 基 亍 MSP430 示 淑 法 虹 医试设 诗 75mV电压输 出。该电压先经过仪表放大器 INA128进行 50倍 左 右的放大 ，然后分成直流 电压和交流 电压两路 。直流 电压经过低 滤 波 调理 电路 的任 务 就 是 从 噪声 中 提 取袖 带 压 信 号 和 脉 搏 波信号 ，并将它们调整到适当的电平输入给 A／D转换电路。由两 通滤波后送入 ADC采样 ，获得直 流电压序列 ；交流 电压经过 带 通 滤 波后 ，再 经 过 1O倍 左 右 的二 次放 大调 整 ，然 后 送 人 ADC采 部 分 组 成 。 a)袖带压信号 的提取 样 ，获得交流电压序列 ，该 电压序列 即为脉搏波 电压序 列 ；采 用 在排气过程中(无论手动放 气还是 自动放 气)，袖 带内压力是 幅 度 系数 法 ，将 此 交 流 电 压 序列 进 行 分 析 计 算 后 确 定 收 缩 压 和 舒张压的瞬态时间位置 ，然 后再从直 流电压序 列中找出对应的 收 缩 压和 舒 张 压 。在 排 气 的 过 程 中 ，每 间隔 2秒 显示 一 次 袖 套 的 直流电压 ，排气结束后 ，将计算 出的收缩压 和舒 张压 结果输出至 160段液 晶显示 ，并将测量时间和测量结果存人 内存中 ，以便 通 过串 口上传至电脑 中存储。系统 的工作原理框图如图 2所示 。 缓慢 变化 的 ，因此 ，袖带压 信号 属于低频 率信 号 ，本 文 中取 0．6Hz，所 以应使用低通滤波器。鉴于二阶低通滤波器比一阶衰减 的快 ，对 高 频 的 信 号 滤 波 效 果 好 ，因此 ，采 用 二 阶 有 源 低 通 滤 波 器 ，利用 Filter Wizard软件设计的电路如 图 5。元件 参数的选 择 可见具体电路 图。 +5V 3．2 血压 传 感 电路 压力传感器是电子血压计 的核心 部件 之一 ，血 压的测量范 围通常为 0—300mmHg(0～40KPa)。根据硅 晶片惠斯通原理制作的 电阻式压力传感器 ，具有体积小 、重量轻 、耗能低 、响应时间短等 优点 ，被 广泛应用于医疗器械中。本文选用 的便是永盟 电子的 MPS2107系列 电阻式压力传感器。如 图 3所示 。 +0UT 3 一 IN +IN 参数 范 围或取 值 压力 5．8psi(40KPa) 工作温 度 —40℃一85℃ 驱动 电压 5V 全尺度跨 距 电压 75mV 灵 敏度 1mv／4mmHg 一 OUT 一0UT 图 3 MPS2107的电路和参数 由 于 压 力 传 感 器 输 出 的 是 微 弱 的 压 力 差 信 号 ，与 MSP430F449的 AD 电压 不 相 匹配 ，所 以要 选 用 典 型 的 三 运放 仪 表放大器电路进行放大。仪表放大器可 由运放 电路组成 ，也可直 接使用专用的芯片。本文采用 耵 公司的专用芯片 INA128。IN— A128是高精度 、低功耗仪表放大器 ，工作电压±2．25～~18V；失 调 电压 501~Vmax，漂移 0．51~V／~Cmax，低输入漂流 ：5nA max；共模抑 制比 120dB min；静态电流 7001~A(每个通道)。非 常适合于电池供 电的便携设备 。INA128与 MPS2107连接 电路如图 4所示。通过 调节 电阻 Rl的值 ，可调节其放大倍数 。通过使用专 用的仪表放 C9 lO4 图 5 二阶低通滤波器 b)脉搏波信号的提取及放大 传感器输 出的压 力信号包括袖 带压信号 和脉搏波信 号 ，其 中还 夹 杂 着 来 自外 界 的 50Hz工 频 干扰 或 其 它 随 机 干 扰 ，只有 一 段频率信号是我们需要 的。为此 ，本文设计 了一个带通滤波器 ： 截止频 率为 0．6Hz的高通滤 波器和截止频率 为 6．4Hz的低通 滤 波器 ，来截取脉搏波信号 ，电路如 图 6所示 。在该带通 滤波电路 后 ，再接一级反 相放 大 电路 ，将脉搏波信 号进 一步放大 ，将测得 的脉搏波调整到 MSP430单片机 AD要求的幅值 0～3．3V即可 。 大器 INA128，使得电路大大简化 ，也提高了可靠性和性能指标 。13] 图 6带通滤波 器 ●．5V 3．4 其他 功 能 电路 为 了记 录测 量 的 时 间 ，系统 采用 了 DALLAS公 司推 出 的涓 流 充电时钟芯片 DS1302；为将测量血压得到的数据上传至 电脑存 储，采用了 MAX232串口通信。MSP430F449输出的高低 电平控制 信号经过 ULN2803反向放大后再驱动 6V的电磁 阀和直流电机 。 为实现低功耗 ，延长血压计的工作时间，采用了定制的 160段段式 液 晶。可 同时显 示 时 间和血 压 。液 晶的显 示需 要 特 殊 的电压 ，一 般 单 片 机是 不 能直 接 驱动 液 晶 的 ，但 430系列单 片 机 能直 接 驱动 液 晶。MSP430F449共有 20字节单元液晶显存 ，采用 4MUX工作方 式 ，40个输 出引脚 ，共 可 驱动 40"4=160段 液 晶笔 画 。 4 软件设计 系统软件设计 的关键在 于如何准确 获得直 流电压序列和交 3．3 滤波 调 理 电 路 图 4 INA128放大电路 流 电压序列。MSP430F449的 AD共有 4种工作方式 ，这里采用多 (下转 59页 ) 自 动 化 信 息 AUTOMATION INFORMATION 

科远 NT6000分布式控制 系统(DCS)在 电厂烟气脱硫 自动化工程 中的应用 作 。除在操作台上设置旁路挡板门等个别紧急操作按钮 外 ，控制室不设其它常规仪控表盘。该系统从投放至今 运行稳定 。不但创造了巨大的经济效益 ，而且保护了环 境 ，有利于持续发展。该 电厂已经通过环保部门的验收， 符 合 国家 排放 标 准 。南 京科 远 公 司 的 DCS在脱 硫 综 合 自动化控制等项目上具有广阔的应用前景。圈 垒 南京科远 自动化集团股份有限公司．科远 NT6000分散控制系 统(DCS)在垃圾焚烧发电厂中的应用『J1．中国嵌入式网． 『21 l一2}}机组 烟气 脱硫技改工程总说 明．内蒙古达拉特 发电厂， 2007年。 出口 人13 图 3 FGD人口 SO：浓度——石灰石浆液阀开度闭环回路控制框图 正，修正量为+，一20％。 【3】王志凯．贝加莱 APROLDCS系统在 电厂烟气脱硫 自动化工程中的应 该控制回路包括 ：原烟气 SO ；净 烟气 SO：；烟气 流量 ；石灰石 用[J1．自动化信息，2008年第 7期，77—79． 浆液密度 ；塔 内浆液 pH值 ；石灰石浆液供浆量 。 FGD人 口 SO 浓度——石灰石 浆液 阀开度闭环 回路控制框 图 如 图 3所 示 。 (5)滤 液 箱 带式过滤机的滤液 由滤液泵送 至吸收塔 或制 浆系统 ，当滤 液分离器液位为 “高”时 ，滤液泵启动 。 6结束语 此工程经过初设 、施工 、调试 ，持续近 10个多月时间 ，按期保 质完成 了机组脱硫的系统 。该 系统设计有完善 的数据 采集 系统 (DAS)、闭环控制回路(MCS)及顺序控制功能组 (scs)等 ，系统正 常运行及启停过程在运行人员少量干预下均可 自动完成。操作人 作者简介 白克强 男 ，出生于 1979年 ，西 南科技 大学信息工程 学院硕士研究生 ， 中国轻工业成都设计工程有 限公司 自控专业工程师助理 ，主要从事现代 控制理论及应用、控制理论 与控制工程的研 究及 自动控制设计工作。 杨文英 女，出生于 1961年 ，中国轻工 业成都设计工程有 限公 司(原 中 国轻工业成都设计院 )自控专 业教授 高级工程师 ，主 要负责 自动控制全 部设 计 工作 。 刘知贵 男 ，出生于 1966年，酉南科技 大学学生处处长 、教授 、硕士研 究 生导师，主要从事控制理论 与控制工程 、计算机网络安全 的研 究。 陈思海 男 ，出生于 1968年，绵 阳职业技术学院 电子信息工程系 副教 授 ，主要从事现代 控制理论及应用 ，EDA技 术的研 究。 王小红 女 ，出生于 1968年 ，绵 阳职 业技术学院基建处，高级工程 师，主 员在控制室 内通过 LCD及键盘和鼠标对系统进行监视和控制操 要从事工程预 、决算的研 究。 (上接 5O页 ) 图 7主程序流程图 通 道 重 复 采 样 方 式 。 先采 集 一 次直 流 电 压 ，然 后 采 集 交 流 电 压 。 每进行 1O次 AD转换 ，得 到的 l0个数据取平均值 ，最 终得到一 个直流电压值和交流电压值 。为 了能够采集到脉搏波的峰值 ，采 样 的频率要 足够高 ，这里取 2KHz，则每秒钟 可以得 到 200个直 流 电压值和 200个交流电压值 。为了有效地消 除随机干扰 ，相邻 的两个电压值还需进行 比较 ，若其比值超过一定 比例 ，则认为是 干扰信号，舍去这个数据 。然后对剩下 的交流电压值进行数据处 理 ，从 中找 出峰值。根据人的脉搏 频率 不同 ，在～秒钟 的时间内 该峰值可能有 多个 (心跳频率较快 )，也可能不存在(心 跳频 率较 慢 )，将 该脉搏波峰值 和对 应的直流 电压 值用 2个数组存 储起 来 ，从而得到脉搏波峰值 电压序列和对应的直流电压序列 。当检 测 到 直 流 电压 小 于 O．5V(50mmHg)时 ，打 开 电 磁 阀 快 速排 气 ，一 次 测量结束。最后根据得到的脉搏波峰值 电压序列 ，找出其 中的最 大值 Am。然后 向前 找出 As／Am=CI=0．58，向后 找出 Ad／Am=C2= 0．77，则 As和 Ad所对应的直流电压即为收缩压和舒张压 。当然 在 查 找 As时 ，不 一 定 恰 好 能 找 到 As／Am=0．58，在 查 找 Ad时 ，不 一 定恰好 能找 到 Ad／Am=0．77，此 时应 找到 与 0．58Am和 O．77Am 最为接近 的脉搏波峰值 电压作 为 As和 Ad。系统工作的主流程 如 图 7所 示 。 5 结论 本文介绍的电子血压计 ，充分利 用了 MSP430系列单片机低 功耗 、速度快 和片上资源丰富 的特点 ，采用 160段式 液晶进一 步 降低 了功耗 ，也使得 MSP430F449强大 的液 晶驱动能力得到了发 挥。笔者已制作出样机 ，操作简单实用 ，与市面上欧姆龙电子血压 计相 比，测量误差在 2mmHg以内 ，在后续 的产品完善过程中 ，将 进一步优化获得脉搏波峰值电压序列的算法，提高测量精度。圈 童 【l】王晋．血管硬度测量仪 的研制[D]．重庆：重庆大学 ，2003． 【212 唐 志强．电子血压计 [J】．电子产 品世界 ，2002，8(63)． 【3]Precision，Low Power Instrumentation Amplifiers INA128．DatasheeLTI，2000 堡 朱品伟 男 ，生于 1980年 ，硕士，江苏技术师范学院电信学院教师。主要 研究嵌入 式应用与智能控制。 2008年 11月 第 11册 总第 91册 5I9