1、北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 页本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者：刘桂良 签字： 时间：2008 年 6 月北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 I 页基于 S12 单片机的血压计的实现学 生：刘 桂 良指导老师：张军香 董韶鹏摘 要人体血压是人重要的生命参数之一，目前人体血压的测量多采用间接测量，测量方法主要有示波法、柯氏音法等。其中示波法因其测量方便、抗干扰能力强等优点被当前主流的自动电子血压计所采用。本文主要研究使用 S12 单片机实现人
2、体血压的测量，测量方法为示波法。本论文研究的主要内容有：对人体血压的测量系统进行详细的分析，对血压测量实验系统进行改进，统一实验箱与单片机的接口；编写单片机程序，完成对人体血压测量的控制与血压值的计算；实现单片机与上位机的通信，上位机软件对血压数据进行图形显示，编写软件计算血压值。同时，本论文开发的实验系统为压力测量与算法的学生实验提供了一个良好的实验平台。在血压测量算法的研究和实现测量系统的基础上，设计实验，编写实验指导书，学生可以根据实验指导书，完成对人体血压的测量，学习并掌握 Freescale 单片机的原理及应用方法，培养学生的学习和动手的能力。关键词：单片机，示波法，LabVIEW北
3、 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 II 页Blood Pressure Monitor Based on S12 MCUAuthor: Liu GuiliangTutor: Zhang Junxiang, Dong ShaopengAbstractHuman blood pressure is one of persons most important life parameters, its measuring technique varies and mainly indirectly, among which Oscillometric and Keshi-
4、Law included. This article mainly deals with the oscillometric method which is generally used in the automatic blood pressure monitor designs for its convenience and strong anti-disturbance capacity. The paper carries on the detailed analysis to the human body blood pressures measurement system, the
5、 improvement to the original experiment system and the unified monolithic integrated circuit series experiments connection. It researches more on the control of the measurement system and the calculation of blood pressure. Also in this paper, a software is used to finish the communication between th
6、e measurement system and the computer on which the measure data is displayed graphically and the blood pressure is calculated too.The development of the S12 MCU blood pressure measurement system provides a nice experiments platform for students. Using the experiment guide book, students can accompli
7、sh the human blood pressure measurement, master the application method of the Freescale microcontrollers. The experiment can foster their ability to study and work.Key words: Microcontrollers, Oscillometric, LabVIEW北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 III 页目 录1 绪论 11.1 论文选题意义 .11.2 国内外研究现状分析 .11.2.1 血压及
8、血压测量方法 11.2.2 示波法血压测量基本原理 .31.3 最新成果和发展动态 .41.4 论文构成及研究方案 .41.4.1 研究目标 41.4.2 研究内容 51.4.3 研究方法 .52 系统总体设计 72.1 血压测量系统 .72.1.1 系统组成 .72.1.2 工作原理 .72.2 血压测量算法研究 .82.2.1 提取脉搏波包络曲线 82.2.2 血压值计算 .10本章小结 .113 硬件设计 123.1 硬件设计概述 12北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 IV 页3.1.1 血压测量实验箱 .123.1.2 单片机系统 .133.2 血压测量
9、电路模块分析 133.2.1 气阀、气泵控制电路 133.2.2 气袖压力测量电路 .143.2.3 脉搏波提取电路 .153.2.4 电源及整流电路 .173.3 实验箱接口标准化 17本章小结 .184 软件设计 194.1 单片机软件设计 .194.1.1 软件流程 .194.1.2 模块设计 .214.2 上位机软件设计 374.2.1 串口通信 .374.2.2 数据处理 38本章小 结 .465 实验设计 475.1 实验目的 475.2 实验内容 .475.3 实验要求 .475.4 实验说明 .47北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 V 页本章小结
10、 .48结论 .49致谢 .50参考文献 .51附 录 .52附录 A 单片机血压测量 C 语言程序 .52附录 B 压力测量与算法实验指导书 63北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 1 页1 绪论1.1 论文选题意义Motorola 单片机是国际上应用非常广泛的单片机 1 。它具有功能全、品种多、性价比高、功耗低、应用方便、速度高等优点，使其在家电、通信、智能化测控系统、仪器仪表、汽车电子等领域获得广泛应用。Freescale （飞思卡尔半导体公司）一直是Motorola 公司的半导体分支，2004 年 7 月从 Motorola 分离出来成为独立企业，Moto
11、rola 单片机半导体业务就由飞思卡尔接管负责，改为 Freescale 单片机。为了使实验者熟练掌握 Freescale 单片机的原理、使用方法，开设了一系列的Freescale 单片机实验，并在此基础上开发了针对不同对象的实验箱，以配合实验者进行测量、控制及算法实现等实验。实验中使用 Freescale 单片机 S12 系列中的MC9S12DG128 实验系统， MC9S12DG128 是 Freescale 公司推出的 S12 系列单片机中的一款增强型 16 位微控制器。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI 、I 2C、A/D、PWM 等，能很好地满足学生实验的需要。Fr
12、eescale 单片机系列实验包括四种：温度测量与控制、电机转速测量与控制、血压测量与算法、电子秤实验。基于 S12 单片机的血压计的实现是为其中的压力测量与算法实验开发的一个实验平台，通过该实验可掌握气体压力传感器的原理及使用方法，学习人体血压测量方法。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 血压及血压测量方法血压是指血液在血管内流动时，对血管壁产生的单位面积侧压 2 。通常说的血压是指动脉血压，用血压计在臂动脉上测得的数值来表示，以mmHg 或kPa为单位，包括收缩压和舒张压。当心脏收缩时，动脉内的压力最高，此时压力称为收缩压；心脏舒张时，血液从动脉弹性回缩产生的压力称为舒张压。工程上把相对
13、于真空所测得的压北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 2 页力称为绝对压力，把相对于大气压所测得的压力称为标准压力。人体血压值是相对于大气压而言的，为血压的标准压力值。对健康成人，在心血管系统中不同部位的正常血压值不同，以臂动脉为例，收缩压一般在 95140mmHg（12.6718.67kPa）范围内，平均值为110120mmHg（14.6716kPa） ；正常舒张压为 6090mmHg （812kPa） ，平均值为80mmHg（10.67kPa） 。动脉血压一般以分数形式表示，如 120/80mmHg，分子代表收缩压，分母代表舒张压。人体血压测量分为直接（有创）测
14、量和间接（无创）测量两大类 3 。直接测量一般采用导管法来测定血管或心脏内的压力，压力传感器可放置在导管的顶端直接将压力转换成电量，也可通过充满液体的导管将压力传递到体外的压力传感器转换成电量。间接测量则是在体外用各种转换方法及信号处理技术测量血压，其测量方法很多，比较典型的有柯氏音法和示波法。柯氏音法的操作方法为：给袖带充气，使动脉血流完全堵断，此时用听诊器听血管的波动声是没有的；然后慢慢放气至听到脉搏音，这时的压力为高压即收缩压；继续放气通过听诊器能听到强而有力的脉搏音，且慢慢变轻，直至听到很平稳较正常脉搏音，此时血管完全未受挤压，对应的压力为低压，即舒张压。柯氏通过对袖带加压和听脉搏音来
15、测量血压实现了人体血压的间接测量，对人类医学的贡献很大，人们为了纪念柯氏，称此法为柯氏音法。柯氏音法存在一些固有的缺点：一是确定舒张压比较困难；二是此法凭人的视觉和听觉，带有主观因素，除非专业医生，一般人很难测准血压。曾经也出现了多种柯氏音法电子血压计，试图实现血压的自动检测，但很快发现这类血压计未能克服柯氏音法的固有缺点，误差大，重复性差。示波法的测量过程与柯氏音法类似，仍采用气袖来阻断上臂动脉血流，由于心搏血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失。随着袖套压力下降，脉搏开始出现。当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突
16、然增大，当气袖压力降至平均压时达到最大值。然后又随袖套压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 3 页力之间的关系来计算血压的。示波法具有较好的抗干扰能力，能比较可靠地判断血压、实现血压的自动检测，因而成为测量血压的主流方法。本论文中的血压计也采用这种方法。1.2.2 示波法血压测量基本原理示波法是临床上各类监护仪、电子血压计广泛采用的血压测量技术。将血压计气袖加压至阻断臂动脉血流，然后缓慢放气，人们发现气袖中的压力除随放气而下降之外还存在一个振荡，并称其为脉搏波，其波形如图 1.1。图 1.1 脉搏波图 1.1
17、中波形幅度最大处对应的气袖压力称动脉血管平均压，收缩压和舒张压可由各种算法计算得到。脉搏波信号相对气袖压力下降信号为高频信号，在气袖缓慢放气的过程中对气袖压力信号进行滤波即可得到脉搏波信号。示波法测量的关键技术是：1）放气过程中对气袖压力和脉搏波信号的准确采集；2）收缩压和舒张压的计算。信号采集中涉及到滤波和抗干扰技术，而血压计算算法的优劣与否，则是决定血压测量准确与否的关键。目前收缩压和舒张压的判别准则很多，但无公认的判别准则，多是基于统计学规律，而不是基于个体特征。文献检索到的收缩压和舒张压经验判别准则，大致分为两类，一类是归一化准则（幅值系数法） ，另一类是突变点准则（拐点法） 。归一化
18、准则就是将脉搏波信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理，通过确定的收缩压和舒张压的归一化值来识别收缩压和舒张压。突变点准则认为，收缩压和舒张压对应北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 4 页着脉搏波幅度发生突变的点，即识别脉搏波包络的拐点为收缩压或舒张压。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 5 页1.3 最新成果和发展动态随着人们对人体生理信号特征认识的深入，以及大量新技术应用于生物医学工程领域，近年来血压测量技术又有了新的发展。人们对脉搏波特征的研究进一步深入，探索无创血压测量的新思路。随着心脏的间歇性收缩和舒张，血流压力、血流
19、速度和血流量的脉动以及血管壁的变形和振动在血管系统中的传播，统称为脉搏波或脉搏波在血管中的传播。本质角度讲柯氏音听诊法、示波法等血压测量方法都可称之为基于脉搏波特征的测量方法，但是都存在一定的缺陷。脉搏波是一种低频成分为主的生理信号，可通过对数字微分信号的特殊处理来实现。焦学军、房兴业提出了利用脉搏波特征参数连续测量血压的方法，具有较高的测量精度 4；空军第四研究所的俞梦孙院士正在进行有关脉搏波传导时间（PWTT ）法和血压关系的研究，显示出很好的前景 5。随着人们对人体生理信号特征认识的进一步加深，各种技术如数字信号处理、模式识别应用于生物医学工程领域，无创血压测量装置必将向着更加方便可行、
20、准确可靠的方向发展。1.4 论文构成及研究方案1.4.1 研究目标本课题的研究目标是对血压计测量系统进行硬件改造，用标准接口实现血压计与单片机的互连；采用 S12 单片机对血压计测量系统中的气泵和气阀进行控制，并测出需要的压力信息；单片机对压力测量数据进行处理并显示人体的血压值，同时实现单片机与计算机的互连，图形化显示测量数据并计算人体动脉血压值。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 6 页1.4.2 研究内容本课题的主要研究内容如下：1、对原有血压测量电路进行测量，绘出电路图，分析电路结构，用标准接口实现血压计与单片机互连，完成血压计系统的硬件电路改造。2、设计单
21、片机测量与控制程序，包括气泵、电磁阀开关的控制，压力数据的测量，血压的计算，血压值的显示，与上位机的通信等。3、编写上位数据处理软件，实现单片机与上位机软件的联调，完成测量数据的图形显示。4、设计实验并完成实验指导书的编写。1.4.3 研究方法1、血压测量系统硬件改造血压测量系统的硬件主要包括气袖压力测量模块、脉搏波信号提取模块、气泵控制模块、电磁阀控制模块。首先对这些模块进行详尽分析，清楚各自模块的工作原理，对电路进行优化或修正，然后统一实验箱与单片机的接口电路。2、单片机软件设计对应于硬件的各个部分，单片机软件采用模块化设计。分别设计各模块子程序，如 A/D 转换子程序、气泵控制子程序、电
22、磁阀控制子程序、压力采集子程序、压力数据显示子程序、微机通信子程序等等。在主函数中初始化硬件并调用各子程序，完成各部分的协调工作，最终测量并计算出人体血压值，对收缩压和舒张压进行显示。3、上位机软件实现单片机与上位机通信，上位机通过串口软件接收单片机发送的压力测量数据，并保存为文本格式。编写上位机数据处理软件，对测量数据进行图形显示，进行算法研究，通过上位机软件计算血压值，与单片机所计算出的血压值进行比较分析。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 7 页4、实验设计作为实验室建设的重要部分，为学生实验编写实验指导书，给出常用程序的函数接口参数，供学生参考使用。可提供
23、血压测量算法，而血压计算程序由学生自已完成。5、论文构成根据毕业设计所进行的研究与完成的工作,本论文的主要构成包括系统总体设计、硬件设计、软件设计以及实验设计四个部分。在接下来的几章中，本文将会陆续介绍本次本科毕业设计的设计过程以及研究成果。第 2 章将从课题的总体设计入手，对系统总体设计进行分析，对血压测量算法进行研究。第 3 章将介绍血压测量系统的硬件构成，对血压测量试验箱每个硬件模块进行分析，并介绍单片机系统的组成。第 4 章将介绍血压测量系统的软件设计，包括单片机控制软件及上位机数据处理软件的设计。第 5 章是则是根据学生实验的特点，对学生实验进行了方案设计。北 京 航 空 航 天 大
24、 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 8 页2 系统总体设计本章主要介绍血压测量系统的硬件组成和工作原理，研究血压测量算法。2.1 血压测量系统2.1.1 系统组成血压测量系统主要包括气袖、气阀驱动与控制模块、气泵驱动与控制模块、气袖压力测量模块（压力传感器直接输出） 、脉搏波信号提取模块（压力传感器输出信号滤波放大）与 A/D 转换模块、血压值显示模块、单片机与上位机通信模块以及单片机控制模块 MC9S12DG128 单片机系统，如图 2.1 所示。电磁阀气泵气袖压力传感器M P X 5 0 5 0 D PM C 9 S 1 2 D G 1 2 8 B实验系统控制信号控制信号血压值显示上位
25、机A D C滤波放大A D C图 2.1 血压测量系统组成2.1.2 工作原理血压测量系统进行血压测量时，将气袖缚于上臂或腕部，气袖充气至压力比受试者收缩压高约 20mmHg，阻断动脉内血流，在气袖放气过程中，动脉受到的压力逐渐北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 9 页下降，当压力低于收缩压时，开始有血液流动，引起动脉壁的振动，当气袖内压力足够小时，就会产生脉搏波。当气袖内压力低于舒张压时血液可以顺利流过，脉搏波消失。脉搏波振动通过气袖中空气的压力变化传导到传感器，将压力信号转换为电信号。血压测量过程为：单片机发送控制信号，关闭电磁阀，控制气泵加压至阻断动脉血液流
26、动，然后关闭气泵控制气袖自然放气。气袖压力信号（压力传感器输出信号）和脉搏波信号（滤波电路输出信号）经 A/D 转换送入单片机，对数据进行处理，计算血压值并显示。上位机通过串行总线接收单片机采集的数据，实现图形化显示，计算血压值。2.2 血压测量算法研究本毕业设计中的血压测量算法采用典型的基于示波法的血压测量原理。目前示波法测量血压主要对提取出来的脉搏波进行数据处理，因此示波法测量血压首先提取脉搏波，然后对脉搏波包络曲线进行数据分析，求得血压值。2.2.1 提取脉搏波包络曲线以血压值为 120/80mmHg 为例：1、血压值为 120/80mmHg 的血压波信号和血压计袖带压力下降曲线，如图
27、2.2。 北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 10 页图 2.2 血压波和血压计袖带压力曲线2、袖带中的压力加至阻断肱动脉血流，然后缓慢排气，袖带对肱动脉的压力随之缓慢下降，当袖带压力下降到动脉最大血压（收缩压）以下时，动脉血管中的血液恢复流动，并产生脉搏，脉搏所产生的压力脉冲（脉搏波）和袖带压力相叠加，输入气体压力传感器，转变为相应的电信号，如图 2.3。图 2.3 气体压力传感器输入信号3、将传感器压力曲线中的脉搏波（形状如图 1.1）提取出来并与同时刻的袖带压力相对应，如图 2.4。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 11 页图
28、 2.4 袖带压力对应的脉搏波4、用袖带压力对应的脉搏波脉冲峰值形成脉搏波的包络线，如图 2.5。根据此包络线，运用相应的血压计算算法，即可得到人体的血压值（具体见下节） 。图 2.5 脉冲峰值包络线综上所述，压力传感器的输出为两类压力信号的叠加，一为袖带压力信号，另一为脉搏波压力信号。脉搏波信号频率大约为 1Hz，袖带压力信号频率大约为 0.04Hz，可视为直流。为得到脉搏波信号，需要对压力传感器信号进行滤波（隔直） 。可以采用软件直接对压力传感器信号进行数字高通滤波，也可设计硬件电路实现模拟滤波，本北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 12 页实验系统采用的为后
29、者。2.2.2 血压值计算脉搏波峰值包络曲线提取出来之后，只要应用各种计算方法，就可以得到血压值，目前的主流方法包括两种，一是幅值系数法，另一为拐点法。1、幅值系数法收缩压判据的确定：在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度与最大幅度之比大于指定值（ ）时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。sK舒张压判据的确定：在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度与最大幅度之比小于指定值（ ）时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。d根据上海医用仪表厂多年的研究成果，取 0.58,.7sdK2、拐点法根据脉搏波的产生原理，当气袖内压力下降到等于收缩压时，血液由阻断至开始流动。当气袖
30、内压力下降到低于舒张压时，血液将完全流通。因此在气袖压力等于收缩压或舒张压附近，因血液流动速度的变化将产生强烈的涡流，气袖内压力振荡幅度将有明显突变。采用这一原理计算血压就称为拐点法。拐点法计算血压值，对于脉搏波的测量精度要求较高，可以采用两种方法。一种方法是寻找脉搏波包络幅值变化最大的两个点，对应的气袖压力可视为收缩压或舒张压；另一种是采用数学的方法，用多项式拟和脉搏波信号曲线，计算曲线的拐点，所对应的压力值即为收缩压或舒张压。本章小结本章对血压测量系统的总体结构组成及其工作原理进行了说明，对人体血压测量算法进行了研究。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 13
31、页3 硬件设计本章介绍血压测量系统的硬件组成，并对血压测量的硬件电路进行分析。3.1 硬件设计概述血压测量系统硬件包括实验箱和单片机系统两部分。实验箱接收控制信号，实现气袖的充放气，并敏感压力的变化，将压力测量数据传送至单片机系统。单片机系统发出气泵气阀的控制信号，采集压力数据，是血压测量系统的核心，完成对血压测量的控制及血压值的计算等工作。3.1.1 血压测量实验箱实验箱前面板有电源接口、血压测量气袖以及单片机与实验箱的接口等。实验箱的后面板上安装了所有血压测量元件。后面板又分为上载板和下载板，下载板上分布着主要工作元件如气泵、气阀、变压器、气体压力传感器，实验箱各部分分布如图 3.1 所示
32、。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 14 页图 3.1 血压测量实验箱部件分布图上载板是血压测量实验箱的电路核心，由左至右分布有气泵气阀控制电路、电源整流电路、脉搏波提取电路等。其电路原理图如图 3.2 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 14-Apr-2008 Shet of File: D:My DocumentsMyDesign1.ddb Drawn By:12J3*12J4*12J1*12J2*Q1 8050NPNU?OPTOISO1Q2 8050NPNU?OPTOISO
33、1R1 20RES1R3 20RES1R2 20RES1R4 20RES1123J51234J6D1DIODE D2DIODE D3DIODE D4DIODE+C6 470uCAPACITOR POL +1-3425TLV2211R820KR710K C322uFC11uR510KR610KC2220nF图 3.2 上载板电路原理图3.1.2 单片机系统本实验中采用天津工业大学开发的 MC9S12DG128 实验系统，对血压测量进行控制并实现血压值的计算与显示、与上位机通信等。MC9S12DG128 具有 16 位中央处理器（HCS12 CPU） 、128KB Flash EEPROM、8KB
34、 RAM、2KB EEPROM，以及定时器通道、键盘中断和 A/D 通道等接口。MC9S12DG128 实验系统可以直接与 CodeWarrior 相连，具有下载程序、在线单步运行、断点调试、连续运行、修改寄存器和存储单元等特点，可以很方便的进行血压测量的软件设计。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 15 页3.2 血压测量电路模块分析3.2.1 气阀、气泵控制电路气阀、气泵控制电路原理相同，电路结构相似，均通过光电耦合方式对各自的工作回路进行开关控制，以气阀控制电路为例，如图 3.4，J1 端接单片机气阀控制输入，J3接气阀驱动。图 3.4 气阀控制电路J1 的
35、上管脚接单片机 5V 电源，下管脚接气阀控制信号。当单片机输入数字信号0，为低电平 0V，此时光电耦合管控制气阀工作回路接通，气阀关闭；当单片机输入数字信号 1，为高电平 5V，此时光电耦合管控制气阀工作回路断开，气阀打开。气泵、气阀的控制回路输入电压最大为 5V，最小为 0V，回路电阻 R1 为 200，最大工作电流为 25mA，对单片机实验系统的电流要求很小，电路的设计是合理的。3.2.2 气袖压力测量电路气袖压力直接由气体压力传感器测量得到，实验系统采用的气体压力传感器型号为MPX5050DP， OUT1 为传感器信号输出，同时作为脉搏波提取电路的输入，如图3.5。北 京 航 空 航 天
36、 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 16 页MPX5050DP 元件参数为：1、工作电压：5V（4.755.25V） ；2、工作电流：7.0mA,最大 10mA；3、工作温度：085 ；4、测量范围：0-50kPa（1kPa=7.5Hg，0375mmHg ） ；5、输出电压范围：0.24.7V；6、最小偏移量（工作电压 5V）：0.2V（0.0880.313V） ；图 3.5 压力传感器电路在定电压5V的驱动下，此压力传感器的灵敏度为12mV/mmHg ，其压力变化与电压输出转移函数为：Vout=Vs*(0.018*P+0.04) ERROR （3.1）代表压力传感器的电压输出，单位为
37、V； 为给定的定电压，P 代表气体压力，out sV单位为kPa；ERROR 为误差值，单位为V。压力传感器的线性测量范围为050kPa，相当于0375mmHg 的压力，而实验系统中气袖压力范围为0180mmHg ；输出电压为0.24.7V，单片机 A/D转换最大电压为5V,传感器输出不需要接放大电路。因此MPX5050DP适合用作血压测量系统的压力传感器。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 17 页3.2.3 脉搏波提取电路根据脉搏波信号提取的原理，只要对气袖压力进行信号调理即可得到需要的脉搏波信号，由于脉搏的频率约为 1Hz，气袖内压力下降频率约为 0.04H
38、z，因此要获得脉搏波信号，调理电路需要对原始信号进行滤波，高通截止频率约为 1Hz。每个人脉搏波振荡幅度略有不同，一般而言为 13mmHg 压力变化，转换为电信号为 1236mV，因此在进行 A/D 转换之前必须对其进行放大。脉搏波提取电路如图 3.6 所示，采用 Multisim 软件交流分析可知，其截止频率约为1Hz，放大倍数约为 21（ R3/R4+1） ，能满足脉搏波信号提取的要求，如图 3.7。U1TLV2211CDBV13 524VCC5VC11uFC2220nFC322uFR1100kR410kR3200kR2100kVCC1VCC5VVCC0, GND3OUT20, GND0,
39、 GNDIN J6HDR1X4GNDOUTINVCC图 3.6 脉搏波提取电路北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 18 页图 3.7 脉搏波提取电路交流分析3.2.4 电源及整流电路实验箱输入工频电压 220V 经变压器输出两路 6V 电压，经整流后作为气阀、气泵的驱动电源，如图 3.8。T1 220V to 6V V1220 Vrms 50 Hz 0 J5HDR1X312345北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 19 页图 3.8 实验电源及整流电路气泵气阀的元件型号及参数分别为：1、气泵： KPM27A (生产公司：KOGE EL
40、EC.CO)工作电压：DC6V 工作电流：小于 430mA2、气阀： KOGE SD0503工作电压：DC3.5V6V电源整流电路输出约为 5.4V，气泵气阀均能正常工作。3.3 实验箱接口标准化由于实验室建设需要，必须标准化实验箱与单片机的接口，不再使用原实验箱面板上复杂的接线电路，在实验箱面板上加工并安装标准 9 针接口，内部电路引线连接方式如图 3.9，管脚定义见表 3.1。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 20 页图 3.9 实验箱与单片机接口电路表 3.1 标准接口定义DB9 引脚号 信号特性 信号类型 信号方向（对实验箱而言）1 气泵控制 数字量 输
41、入2 气阀控制 数字量 输入3 气袖压力输出 模拟量 输出4 脉搏波压力输出 模拟量 输出5 GND 接地 -9 5V 电源 -本章小结本章介绍了人体血压测量系统的硬件组成，对硬件电路的每个模块的电路结构进行了详细的分析，完成了血压测量实验箱与 S12 单片机实验系统接口的标准化。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 21 页4 软件设计人体血压测量的软件设计包括单片机软件设计和上位机软件设计两个部分，单片机软件完成血压测量过程的控制和血压值的计算，并将测量得到的压力数据发送至上位机。上位机软件将接收的压力数据存储下来，进行数据处理和血压测量算法的实现，计算血压值。
42、4.1 单片机软件设计单片机软件采用模块化设计方法，将血压测量系统中使用到的每个单片机硬件模块独立出来，分别编写子函数，在控制主程序中完成各个模块的协调工作，完成血压测量进程的控制和人体血压值的计算。采用模块化设计方法，增强了软件的可读性，代码的修改和维护相对简单，有利于实验的设计，只要给出每个函数模块的接口参数，学生可以很方便地调用已经模块化的代码，而集中精力放在血压值计算上面。4.1.1 软件流程单片机血压测量的基本过程为：初始化系统硬件（包括 AD 初始化，LED 显示初始化，定时器中断初始化等） ，关电磁阀（电磁阀为常开） 、开气泵，气袖充气；当压力达到一定值时，关气泵；缓慢放气（电磁
43、阀仍关闭，自由漏气） ，进行数据测量与保存；当气压降到一定值，开电磁阀放气；完成数据处理，计算血压值，进行显示。单片机软件要完成对上述血压测量的控制和血压值的计算，在压力数据测量时还要将测量数据发送至上位机。软件采用模块化设计，在主程序中对每个功能模块进行调用，主函数流程图如图4.1。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 22 页S t a r t系统初始化S Y S _ I n i t ( ) ;开中断E n a b l e I n t e r r u p t s气袖充气 , 阻断血流P u m p ( )关气泵 , 自然放气 , 测量数据M e a s u r
44、e ( )开气阀 , 计算血压值C a l c u l t e ( )血压值显示D i s l e d ( )结束键按下 ?Y e sN oE n dN o 重新测量键按下 ?Y e sM a i n ( )图 4.1 软件流程北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 23 页4.1.2 模块设计单片机软件模块主要包括：A/D 转换模块、定时器模块、数码管显示模块、压力数据测量模块、血压值计算模块及通信模块等。1、 A/D 转换模块（1）A/D 转换模块硬件概述S12 单片机内置了 2 个 10 位/8 位的 A/D 模块：ATD0 和 ATD1，通称为模/数转换器（A
45、TD ） 。 S12 的 ATD 是逐次逼近型 A/D 转换器，它内置多路器，转换精度为2LSB，无需外部采样保持电路。ATD 模块具有如下特性： 8 位/10 位精度可选择； 8 位数字量转换时间为 6us，10 位数字量转换时间为 7us； 具有采样缓冲器，放大器； 可编程采样时间； 数据可选择左/右对齐方式和无符号/有符号数据方式； 转换结束标志和转换结束中断； 外部触发控制； 模拟输入的 8 个通道为复用方式，采用多通道扫描方式； 模拟/数字输入引脚复用； 可选择单次转换模式或连续转换模式。（2）ATD 模块工作原理S12ATD 工作时，CPU 向该模块发出启动命令，然后进行采样、A/
46、D 转换，最后将结果保存到相应的寄存器。ATD 模块组成原理框图如图 4.2 所示。ATD 模块由模拟量前端的 8 选 1 多路转换开关，采样缓冲器及放大器，逐次逼近式模拟量转换、控制部分及转换结果存储等部分组成。每个 A/D 转换都可通过 9 个相应的寄存器对其进行设置。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 24 页图 4.2 ATD 模块的组成原理（3）ATD 寄存器说明 ATD 控制寄存器 2ATDCTL2ATDCTL2 主要控制 ATD 的启动、状态标志及上电模式。该寄存器用于启动ATD、触发及控制 ATD 中断。对该寄存器进行写操作时，将中断当前的转换过程。表 4.1 ATDCTL2读写 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0Read/ Write ADPU AFFC AWAI ETRIGLE ETRIGP ETRIGE ASCIE ASCIF复位默认值：0000 0000B
