吴迪，赵琢，陈逢

（威海威高医疗影像科技有限公司，山东 威海 264210）

0 引言

血压是最常用、最重要的医学生理指标之一，健康的血压是维持人体正常新陈代谢必不可少的条件[1]，定期进行血压测量和科学管理已成为医学界防治高血压的共识[2]。血压计是各级医院必备的医疗设备，同时，越来越多的电子血压计走进家庭，测量血压逐渐成为一种健康的生活习惯[3]。

现有电子血压计由主机、袖带和气路构成。主机通常由微控制器、压力传感器、信号处理电路、充气泵、放气阀、泄压阀、显示屏、按键等组成。这种架构下，一旦关键器件出现故障，气路会长时间保持高压，袖带压迫上臂动脉，血流不通畅，严重时可能造成瘀血和组织缺氧，存在一定的安全风险[4]。

本设计是一种高安全性智能血压计，涉及到气路压力的关键器件压力传感器和放气阀都采用双路设计。双路器件之间相互监控，如果其中一路发生故障，系统能够监测到，并立即处理和报警。与现有产品相比，极大降低了导致淤血和组织缺氧的风险。

1 系统方案设计

系统主机由微控制器、双路压力传感器、信号处理电路、充气泵、双路放气阀、显示屏、蓝牙模块、按键和锂电池组成。系统框图如图1所示。其中，微控制器为系统核心，采用高性能的STM32处理器，用于读取压力传感器采集的数据、进行数据分析、控制充气泵和放气阀执行动作、响应按键指令、驱动显示屏和控制蓝牙模块数据传输。压力传感器采用双路数字式压力传感器，用于采集气路中的实时压力数据，并通过SPI接口与微控制器通信，传输数据和获取控制信息。充气泵采用回转式直流隔膜泵，在微控制器的控制下实现对气路的充气加压。放气阀采用双路电磁阀，在微控制器的控制下执行打开或关闭动作，实现对气路的放气和泄压。显示部分采用液晶显示屏（LCD），可显示收缩压、舒张压、脉率和时间等信息，并有屏幕控制菜单（OSD）实现人机交互。按键部分作为人机接口实现系统开关机和操作命令输入。蓝牙模块采用BLE 4.2版本，实现系统测量数据的蓝牙传输功能。系统供电电源采用3.7V/5000mAh的18650电池组，并可通过USB接口为电池组充电。

图1 系统框图

2 硬件设计

2.1 微控制器

本设计中的微控制器芯片选用STM32F405VG，它是以ARM Cortex-M4为内核的32位单片机，最高工作频率可达168 MHz。内置1 MB闪存和192+4 KB的RAM，包含82路GPIO，17个定时器，3路12位ADC，15组包括I2C、SPI、UART和SDIO在内的通信接口。并且具有支持LCD并行接口的可变静态存储控制器（FSMC），方便连接显示屏。其处理能力强，运行速度快，接口丰富，适合高性能的嵌入式系统设计。其LQFP100的封装也便于调试。

2.2 电源管理

系统供电电源采用两节18650电池并联的电池组，具有3.7V输出电压、5000mAh的容量。充电口为广泛应用的USB Type C端口。为了使锂电池在充电的同时也能够为系统供电，需要选择具有电源路径管理功能的充电芯片。本设计采用BQ24075芯片，其集成了锂离子电池线性充电和电源路径管理功能，适合USB端口或者适配器充电，最高支持1.5A的充电电流。其具有的动态电源路径管理（DPPM）功能，可以实现动态调整充电电流和供电电流的分配，在保证系统供电的同时也能有效减少电池充电次数，延长电池寿命。电源管理电路如图2所示。

图2 电源管理电路图

通过ILIM引脚可以设置输入电流上限，R9选用1.18K欧姆电阻接地，实现最大1.3A输入电流。通过ISET引脚可以设置恒流充电过程中的电流值，R11选用887欧姆电阻接地，实现1A即0.2C的恒流充电。通过TMR引脚可以设置预充电和恒流充电过程的安全计时器，R6选用46.4KΩ电阻接地，实现6.25h的安全计时。#PGOOD表示接入有效充电电源，#CHG表示充电进行中，两者都是开漏极输出，通过发光二极管和限流电阻上拉到3.3V，并且同时接入STM32的IO口，实现充电状态指示和状态信息输出。

2.3 压力传感器电路

压力传感器是系统的关键部件。传统压力传感器电路设计中的外部电路较多、较复杂，调节模拟电路较为繁琐[5]。本系统选用数字压力传感器MMR901XA，在紧凑的封装中集成了驱动电路、放大电路和A/D转换电路，从而简化了外部电路设计。它具有16位高分辨率A/D转换器；内置温度传感器和写有温度补偿数据的EEPROM，用于校正环境温度变化导致的误差；具备SPI数字接口，用于和微控制器通信。其压力测量范围0～40kPa(300mmHg)，测量精度±266Pa(±2mmHg)，转换时间5.12ms，满足血压计设计要求。本系统采用了双路压力传感器设计，其中一路的电路设计如图3所示。

图3 压力传感器电路图

2.4 充气泵和放气阀电路

充气泵和放气阀是系统的电动执行机构，分别用于给气路加压和泄压。充气泵选用KPM12C，放气阀选用电磁阀KSV15C，采用脉宽调制（PWM）的控制方式实现对充、放气速率的控制。充气泵和放气阀的控制电路如图4所示。STM32的IO口输出PWM信号，经第一级三极管V3或V5反向后控制第二级功率三极管V2或V4，从而控制充气泵和放气阀的开关状态。通过调节PWM的占空比，可以实现对开关速率的控制。

图4 充气泵和放气阀控制电路图

充气泵和放气阀是感性负载，在其打开和关闭状态转换时，会有感应电流产生。为了及时释放感应电流，使用二极管D2和D3构成电流释放通路，保证系统稳定。

2.5 显示屏电路

显示屏用于显示测量出的收缩压、舒张压和脉率，也显示时间、电池状态和用户信息。此外，还可以显示控制菜单，实现系统设置。

系统采用LCD液晶屏，分辨率为256*160，可显示4级灰度，驱动芯片为ST75256，支持并行传输、4线串行传输和I2C传输。考虑到STM32接口丰富，选择传输速率较快的并行接口D0～D7进行数据传输。其他信号还包括片选信号（CS）、指令/数据寄存器选择信号（RS）、使能信号（EN）、读/写信号（WR）、复位信号（RST）[6]。背光源由6颗LED组成，每颗LED驱动电流为20mA，显示屏和背光源均由3.3V电压供电。

2.6 蓝牙模块电路

蓝牙模块采用BLE 4.2版本，当主设备建立与系统的通信后，可以实现主从设备之间的双向数据传输。设计采用低功耗蓝牙透传模块RF-BM-4044B3，STM32端仅需使用UART接口，即可通过蓝牙模块实现与外部设备之间的无线数据传输。模块工作频段2.4GHz，采用高斯频移键控（GFSK）的调制方式，40频道最高2MHz的通道间隙能更好地防止相邻频道的干扰[7]。具备-21dBm～+2dBm宽输出功率调节，-97dBm高增益接收灵敏度。整体具有功耗低、连接速度快、有效通信距离长的特点。蓝牙模块的接口电路如图5所示。

图5 蓝牙模块接口电路

3 软件设计

3.1 系统主程序设计

系统主程序的流程图如图6所示。系统上电初始化后，STM32检测测量命令是否输入，即开机/测量按键是否被按下。如果按下，STM32通过IO口输出控制信号，充气泵开始工作，给气路充气加压。传感器高安全性检测程序执行，用来监测传感器是否有故障发生。随着压力增大，当传感器检测到压力大于200mmHg时，STM32通过控制IO口输出信号，打开放气阀，气路开始慢速放气，系统进行信号获取和数据分析。放气阀打开后，放气阀高安全性检测程序执行，用来监测放气阀是否有故障发生。随着压力减小，当传感器检测到压力小于40mmHg时，进入快速放气阶段。系统根据采集的数据进行分析和计算，得出收缩压、舒张压和脉率，并在显示屏上显示。同时STM32将数据发送到蓝牙模块进行无线数据传输，主程序流程结束。

图6 系统主程序流程图

3.2 传感器高安全性检测程序设计

本系统具有高安全性设计，具体体现在设计了传感器高安全性检测程序和放气阀高安全性检测程序。传感器高安全性检测程序的流程图如图7所示。程序启动后，双路压力传感器同时测量气路压力，然后计算两者的差值，并与系统预设的阈值相比较。如果差值小于阈值，表明压力传感器无故障，程序结束；如果差值大于阈值，表明其中一路传感器存在故障，STM32通过IO口控制放气阀快速放气，释放气路压力，保证压力安全。同时显示故障报警信息。

图7 传感器高安全性检测程序流程图

3.3 放气阀高安全性检测程序设计

放气阀高安全性检测程序的流程图如图8所示。程序启动后，定时器启动，同时测量一次压力，定时器计时到一定周期后，再次测量一次压力。计算两次压力差值与定时周期的比值即压力变化率，并与阈值比较。如果前者大于后者，表明放气阀无故障，程序结束；如果前者小于后者，表明放气阀存在故障，STM32控制双路放气阀快速放气，释放气路压力，保证压力安全。同时显示故障报警信息。

图8 放气阀高安全性检测程序流程图

4 系统测试

采用Fluke ProSim8生命体征模拟器对系统进行测试。模拟器端选择无创血压通道，信号类型设置为成人，根据血压的范围，选取3组收缩压/舒张压信号源，分别进行10次重复测试。测试结果如表1所示。由测试数据可见，测量的最大误差为2mmHg，小于3mmHg的设计要求。在每一组压力测试点，重复测量10次的极差为3mmHg，小于4mmHg的设计要求。系统的准确性和可重复性较好。

表1 测试结果

5 结语

本系统基于高安全性的理念，采用STM32作为控制核心，设计具有双路压力传感器和双路放气阀的智能血压计，实现故障检测、处理和报警。系统采用数字式压力传感器，与传统设计方式相比，减少了信号滤波和放大电路，受环境温度影响小，提高了系统稳定性。在保证高安全性的同时，也使设计变得简洁。经测试表明，系统的准确性和可重复性较好，符合设计要求，系统具有较好的应用前景。后续可以给基于STM32的高安全性智能血压计扩展功能，例如增加5G通信模块、数据上云、与监护系统实现互联等，这些功能都可以在此平台上开发实现。