2 儀器設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
心血管功能參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該儀器以32位ARM單片計(jì)算機(jī)LPC2114為核心，包括傳感器、充/放氣自動控制電路、信號調(diào)理電路、液晶顯示器LCD、外部存儲器、實(shí)時時鐘（RTC）電路、鍵盤、電源管理、USB接口等幾部分。

2.1.1 嵌入式處理器
目前嵌入式處理器^[3-4]主要有以下幾類：基于ARM內(nèi)核的、MIPS、POWER PC、X86系列。對于嵌入式處理器的選擇需要考慮的因素主要有：外圍資源、價格、是否有片上Flash、開發(fā)難易、應(yīng)用領(lǐng)域等。常見的嵌入式處理器的比較如表1所示。

考慮到本系統(tǒng)有低成本、低功耗、便攜式的要求，所以選用ARM處理器。ARM處理器的特點(diǎn)是處理速度快、超低功耗、開發(fā)資源豐富、價格低廉易購買，非常適合本系統(tǒng)的要求。具體芯片選擇PHILPS公司的32位ARM處理器LPC2114。該芯片具有加密功能、128KB片內(nèi)Flash 程序存儲器、空閑和掉電二個低功耗模式、4/8路（64/144腳封裝）10位A/D轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換時間為2.44μs)，二個32 位定時器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM單元（6 路輸出）、實(shí)時時鐘和看門狗。
2.1.2 傳感器
系統(tǒng)采用兩種傳感器：一個是專門用于血壓測量的壓阻式傳感器。另一個是半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓阻傳感器，用于采集腕部的脈搏波。半導(dǎo)體式傳感器^[5]主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。其中，敏感元件是彈性橫梁磷銅片，轉(zhuǎn)換元件是半導(dǎo)體應(yīng)變片，基本轉(zhuǎn)換電路是四臂差動電橋。此半導(dǎo)體壓阻傳感器具有靈敏系數(shù)大、機(jī)械滯后小、阻值范圍寬、橫向效應(yīng)小等特性。
血壓傳感器選用臺灣生產(chǎn)的壓阻式傳感器MPS3100，其特性包括：氣壓范圍0-300mmHg，工作溫度范圍-40℃～85℃, 易用、易安裝于OEM設(shè)備、低價位SMD封裝，工作電源5V，因此MPS3100是一款非常適合于血壓測量的傳感器。為了減小溫度對傳感器信號的影響，在電路中特意設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，使傳感器轉(zhuǎn)換后的信號失真更小。具體電路如圖3所示。

2.1.3 信號調(diào)理電路
由于脈搏波信號屬于微弱、低頻信號，幅度只有10mV左右，所以需要設(shè)計(jì)兩級信號放大電路。本儀器采用程控放大電路，并根據(jù)采集到的信號大小，利用軟件控制不同的放大倍數(shù)，使信號輸出的幅度在0.8V左右，具體電路如圖4所示。在采集脈搏信號時，必須施加預(yù)壓力，因此檢測到的脈搏信號中包含一直流分量。為了提取到有用的脈搏波信號，在二級放大電路前加了一個電容來濾掉這個直流分量，由IC9高精度運(yùn)算放大器再次將經(jīng)IC8放大的已經(jīng)不含直流分量的信號放大，并且通過IC7來控制信號的增益。AD8400是一個程控放大器，由ARM處理器根據(jù)采集脈搏波的幅值進(jìn)行調(diào)整和控制。IC9輸出信號幅值范圍在0～0.8V，該信號最后送往LPC2114的一路A/D中。

2.1.4 鍵盤和液晶顯示
顯示部分選用青云公司的液晶顯示屏LCM192641，大小為120mm62mm12.5mm，其供電電源為5V，帶有背光，控制器是KS0107，STN 黃藍(lán)模式。測量之前要求輸入個人的資料，例如：身高、體重、年齡以及時間的調(diào)整以及測量操作需要按鍵。
本設(shè)計(jì)采用薄膜鍵盤，它具有外形美觀、防水防塵防腐蝕、壽命長、性能穩(wěn)定、按鍵反應(yīng)靈敏、操作力均勻、無短路現(xiàn)象以及裝配方便的特點(diǎn)。儀器的鍵盤為28矩陣鍵盤，包括10個數(shù)字鍵0～9，4個方向鍵(上、下、左、右），“返回”和“確定”鍵。采用掃描輸入方式。如圖5所示，行線Key1、Key2的一端通過電阻接正電源，另外一端作為輸出端接LPC2114的I/O口。列線DB0～DB8作為輸入端接ARM的I/O口。這樣，當(dāng)沒有鍵按下時，兩路輸出均為高電平。若行線輸出為低電平，一旦有鍵按下，則對應(yīng)輸入的列線電位就會被拉低，通過讀入線的狀態(tài)就知道是否有鍵按下。鍵盤掃描的延時和去抖處理在軟件中實(shí)現(xiàn)。

2.1.5 電源管理
系統(tǒng)采用電池和電源適配器兩種方式供電。供電電池采用四節(jié)1.5V堿性電池，電源適配器采用輸出為6V的適配器，使儀器的使用更加方便。其電路如圖6所示。圖中，P8為電源適配器接口，電源適配器可通過D2和IC17將電壓穩(wěn)定在6V，然后對電池BAT進(jìn)行充電。

儀器電源的開關(guān)由鍵POWER控制。未開機(jī)前，三極管TR16截止，系統(tǒng)內(nèi)部沒有電源供應(yīng)。POWER鍵為點(diǎn)動開關(guān)，按下時V_bat經(jīng)R122和D7接地，三極管TR16導(dǎo)通，電源開始給LPC2114及外圍電路供電。程序運(yùn)行的過程中，LPC2114始終將V_CON置高電平，使TR17導(dǎo)通。雖然此時POWER鍵斷開，但因?yàn)門R17導(dǎo)通，使三極管TR16的B極電位拉低，TR16導(dǎo)通，電源仍然正常供電。圖6中，OPEN接到LPC2114的一個外部中斷口，儀器在運(yùn)行的過程中，按下電源鍵POWER并放開，OPEN產(chǎn)生上跳沿，引起中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中設(shè)置V_CON為低電平，使三極管TR17截止，同時三極管TR16也隨之截止，從而切斷電源，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)的功能。
輸出電源通過電阻R123、R124分壓，V_low AD接入ARM的一路A/D中。當(dāng)檢測到蓄電池電壓低于設(shè)定閾值時，則提醒用戶插上電源適配器開始工作并對蓄電池充電。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、軟件的可移植性并且便于日后升級，32位ARM單片計(jì)算機(jī)采用嵌入式操作系統(tǒng)是非常必要的。本系統(tǒng)采用源代碼公開的μC/OSII操作系統(tǒng)，μC/OSII具有內(nèi)核小、結(jié)構(gòu)簡單、可移植性和可裁剪性好等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用程序中包括若干個任務(wù)：液晶顯示、鍵盤掃描、USB通訊、外部存儲、充/放氣控制、測量任務(wù)、打印等，在測量任務(wù)中實(shí)現(xiàn)脈搏波和血壓的測量。脈搏波信號和血壓信號是通過兩個獨(dú)立的傳感器分別采集處理的，首先采集脈搏波信號，并對其放大、濾波、平均化、歸一化等處理后，計(jì)算脈搏波的特征點(diǎn)的特征值并保存；然后采集血壓信號，在放氣過程中，提取脈搏波的峰值組成的包絡(luò)線，利用示波法計(jì)算血壓和心率；最后通過血壓、心率、個人信息和已存的脈搏波特征值推算心血管參數(shù)。
3 測試結(jié)果
將本儀器用于人體心血管多參數(shù)的測量，共測量了56例無明顯心血管疾病病史的在校教師和學(xué)生，其中男生30例女生26例；年齡從20歲～54歲，然后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)測人群的心血管參數(shù)如表2所示。

利用便攜式心血管無創(chuàng)檢測儀能夠測量血管、心臟、血液、微循環(huán)四類參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儀器的重復(fù)性好，性能穩(wěn)定，測量結(jié)果準(zhǔn)確，能夠較好地反映相應(yīng)的心血管健康狀況。特別是該儀器擺脫了傳統(tǒng)心血管檢測儀器對計(jì)算機(jī)的依賴，采用一體化的設(shè)計(jì)，操作方便快捷、結(jié)果簡單直觀、重量輕、體積小，適合個人及家庭的心血管多參數(shù)快速的檢測，對心血管的保健和預(yù)防起到了很好的指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 柳兆榮，李惜惜.彈性腔理論及其在心血管系統(tǒng)分析中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1987.
[2]南昌市第二醫(yī)院脈圖研究室.脈圖曲線方程組[J].江西中醫(yī)藥，1980，(3):80-91.
[3]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.
[4]吳明暉.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.
[5]張維新.半導(dǎo)體傳感器[M].天津：天津大學(xué)出版社, 1990.
[6] 陳國偉，伍富貴.21世紀(jì)心血管疾病研究展望[J]. 新醫(yī)學(xué)，2001, 32(8):455-457.