纮康科技无前置放大器血压计应用方案

一、血压测量法介绍:

血压量测方式可分两大类：一为侵入式，另一为非侵入式测量方式。侵入式的血压量测，皆需由医疗人员操作，使用上有许多限制。其一般常见的血压计则为非侵入式的水银式血压计与电子式血压计两种。

而水银式血压计所使用的方式为听诊法(Korotkoff Method)与电子式血压计所使用之振荡法(Oscillometric Method)有所不同。传统的水银式血压计，使用时将压脉袋充气至压力大于人体的收缩压时，动脉血管会因挤压而达闭塞情形使血管内无血液流动。接着测量人员以固定速率泄气，藉由听诊器听到第一个低沈的冲击声(Korotkoff Sounds)时，读取水银压力计上的读值，此即为收缩压;若当压脉袋压力小于血管压力时则就无声音，此时读值即为舒张压。而目前家庭中最常用的则为电子式血压计，其除自动化测量外，也不需测量人员协助听诊。测试方法主要透过压脉袋内的压力感测器来侦测压力变化，藉此来判断血压值。其电子式血压计组成件除感测器外，尚需有加压帮浦、泄压阀与微控制器的组合才能达到自动化测量。量测方式于一开始对压脉袋加压，当压脉袋内压力大于人体的收缩压后，再控制泄压阀减压。利用压脉带在加压和减压过程中，将心脏跳动时在血管壁的震动反应到压脉带中感应的压脉波变化，进从测量压脉带中压力和振幅计算出收缩压、舒张压与平均压值[1,2]。  
   二、纮康科技HY11P系列简介:

电子式血压计的设计需要前置复杂的硬体设计来完成讯号取样，并搭配微控制器进行讯号取样，一般需要通过以下步骤，如图 1。生理信号通过感测器转换成电信号，经前置放大器进行信号放大和处理，再经A／D转换器进行采样，将类比信号转变为数位信号。微控制器再进行自动化控制及后端数位信号处理演算法来进行信号分析处理，计算出有意义的资料。而本文将说明，如何在省略前置放大器情况下，使用纮康科技[3] HY11P14单片机(SOC)来完成电子式血压计应用方案。


   
   HY11P系列晶片具备高性能、高整合性规格，如图 2，能大幅简化方案之周边电路：

CPU 为加强型精简指令集，包含硬体乘法指令及查表指令。其晶片8KWord OTP (One Time Programmable) Type程式记忆体，512Byte资料记忆体，足够供演算法需求。2.2V to 3.6V工作电压范围，适合手持电池式产品使用。-40℃~85℃工作温度范围更符合工业规格需求。内建高精度可校正RC振荡器，可节省外接振荡器的零件需求。晶片具有弹性多种工作时脉切换选择主频率网路，让使用者达到最佳省电规划。CPU支援待机模式及睡眠模式的指令驱动功能，以进行更有效的功率管理，在非量测中模式下更达省电效益。即使连续测量模式下，晶片功耗仅2.25mW，进入深层睡眠模式也只有2uW的耗电，更适合本方案的节能需求。具备多重防当机功能，对于电源系统有启动重置晶片功能，维持微处理器正常工作。并有硬体堆叠满重置与看门狗重置功能，降低因外部干扰所产生晶片当机现象。内建高解析度全差动输入ΣΔADC类比数位转换器：

晶片主要核心为内建高解析度类比数位转换器，该核心整合应用系统以达SOC晶片化的目的。在输入的类比讯号不放大的设定下，ADC的性能可以高达ENOB有20bits的超高解析能力。ADC内建可程式化增益放大器功能，间接省去传统外接前置仪表放大器的功能。ADC内建放大倍率最高达128倍率，等效可解析的RMS Noise可达小讯号100nV的分析能力。ADC在取样频率为250KHZ设定下，能够完整取样讯号资料，不仅ADC的超取样架构提高了讯号的解析能力，可程式化的数位超取样选择，也使得ADC解码输出率可设定成从8HZ到1KHZ的讯号输出速度，足以符合250HZ以内的取样频宽。而在程式设定输出率约244HZ状态下，ADC输入讯号最小解析能力还可以达0.56uVms，足以分析出微小压力感测器的讯号输出范围。一般血压计压力感测器灵敏度约 50uV／mmHg，相对于ADC解析度而言，等效每mmHg约有10倍的解析能力。终端的二阶疏状滤波器搭配超取样架构也扮演了低通滤波的功能。

内建低电压14段检测功能，即时提示电池使用量。同时也可以利用ADC前置网路通道，进行实际电压测量显示功能。内建多达80点数的LCD液晶驱动显示，满足该方案下的各血压值显示、时钟模式及其他额外功用点数显示功能。内建液晶驱动电压的升压设计，即使在电源电压为低电压下，液晶驱动器显示明亮度一样可被使用者所接受。多样化的数位功能支援，达到完整的数位控制方案：

丰富的多功能数位周边，可以有更多的应用想像空间，包含有8-bit Timer A、16-bit Timer B、8-bit Timer C模组及内建支援数位讯号比较模组、撷取模组、脉冲宽度调变PWM(Pulse-width modulation)模组及频率调变PFD(Pulse-frequency divider)功能等。其内建的串列通讯SPI模组与RS232模组，更适合于PC通讯的一个桥梁。

叁、测量线路说明:

电子式血压计中，感测器扮演一个很重要的角色。当心脏跳动时血管壁的震动需要通过感测器来转换成电信号，而血压计使用的压力传感器多为半导体制程电阻式的压力传感器，其传感器电阻温飘系数将近为1000PPM／℃等级，因此在系统设计时，多使用了运算放大器产生一个定电流源系统，来提高传感器的稳定度及降低漂移量。图 3为使用外接放大器来完成压力传感器定电流回路。



使用纮康科技高解析度全差动输入ΣΔADC类比数位转换器进行讯号取样时，只要再外接参考电阻(Rf)，配合ΣΔADC输入讯号与参考讯号比例计算法，就可以轻松完成定电流控制回路效果，如图 4，而不需再设计一般连接运算放大器的方式。而式 1说明ΣΔADC数位输出码等效公式，可得知由输入待测电压差(ΔVIN=SI+ - SI-)与ΣΔADC参考电压差(ΔVREF=VR+ - VR-)之比例关系。而式 2分别计算图 4中的ΔVIN、ΔVREF，因此计算出的结果相同于外接放大器所求得定电流回路效果，只与ΔR(压力传感器差动变化量)及Rf(参考电阻)有关。因此 Rf只选用一般电组，其温飘系数约只有50PPM／℃左右，其测量结果也只受Rf与当下ΔVR变化影响，因此大幅降低压力传感器所贡献的温度漂移量。



四、测试结论:

整个系统的测量线路，只需要传感器配合参考电阻就完成定电流效果，压力传感器的差动讯号直接输入ΣΔADC网路中，只需要单通道网路连接，透过ΣΔADC内置可程式放大器(PGA、ADGN)即可进行讯号放大与取样。当系统将压脉袋加压时，即开始进行讯号取样，在判断不到压脉波变化之后，则启动泄气阀降压。在此时，HY11P高解析度ΣΔADC则能轻易测量差动变化量，即使在升压过程中，仍可以准确测量压力值和共振振幅。

一般电子血压计会经过前置放大器进行讯号处理与滤波，将讯号分辨成血压讯号(DC Signal)及振荡法所测得共振振幅讯号(AC Signal)，透过DC+AC双路测量通道分别进行讯号取样，并经过数位滤波演算法计算出血压值。而HY11P系列内建高解析度ΣΔADC，便于将传感器输出直接连接ΣΔADC类比网路，无须外接前置放大器，也不用切换测量网路，只要透过单通道测量方法，即可测得塬始的DC+AC讯号。图 5则简单说明了HY11P ΣΔADC直接转换出从传感器输出差动讯号的塬始取样资料。图 6说明，透过了软体设计数位滤波演算法，建立高通滤波功能及积分演算方式，就能将图 5的塬始资料轻易计算出共振振幅讯号。有了共振信号后，搭配周边压脉袋容量、材质等判断校正后，则可以计算出平均压，进而计算出收缩压与舒张压等压力值资料。


五、参考电路:

图 7 电子血压计应用电路说明血压计应用方案，除既有电源系统、帮浦控制、周边控制与显示外，讯号测量区块(如图 7 电子血压计应用电路 Sensor Measurement)，已经大幅减少所需零件。讯号处理的设计不再复杂繁琐，简化的测量线路不仅降低许多外来干扰因素，也减轻PCB布局的设计考量。单通道的测量方法，高精度的讯号取样都保留了塬始信号的准确度，大幅度降低双通道滤波测量与网路切换造成的讯号失真并间接简化系统设计面积与成本。



[1] J. G. Webster, Medical Instrumentation – Application and Design, 3rd edition, John Wiley & Sons, Inc., pp.317-328, 1998.

[2] 蔡建新、张唯真，“生物医学电子学”，北京大学出版社，1997。