飞思卡尔血压监护仪的设计与应用

　　数字化血压监护让内科医生诊断出高血压并帮助他们的病人使高血压得到控制。便携式血压监护仪能让病人在家里无需医生就可以经济地测量血压，从而有助于早期诊断和高血压控制。家庭监护也可以帮助内科医生区分白大褂高血压（诊断室内血压始终增高而诊断室外血压正常）和真正的高血压。表1说明了人们对高血压的认识和控制在过去几十年间得到的改善。该表由美国国家高血压预防检测评估和治疗委员会在2004年的第七份中给出。

　　这篇文章包括了基本的血压监护以及的模数转换，后者在任何测量系统中都被视为困难的挑战。高分辨率的模数转换（ADCs）提供了好的粒度（纳伏级的ADC分辨率）但并不提供高的，因为误差会很大。然而，广泛的ADC技术（例如：过采样和校准）可以被用来增加应用中测量结果的。

　　血压监护仪

　　血压监护仪是当血液被泵离心脏时用来测量动脉压力的设备。典型的，从一个使用者的角度来说，这个监护仪包括一个可充气的袖套用来限制血流和一个压力计来测量血压。从一个系统设计者的角度来说，一个血压监护仪要复杂得多。它的组成部分包括：电源，电机，贮存器，压力传感器和用户接口（包括显示屏，小键盘或触摸板，发声装置，以及可选的USB或ZigBee?通讯接口）

　　图1说明了飞思卡尔的血压监护仪的参考设计RDQE128BPM。它演示了如何通过飞思卡尔的产品在信号获取，数据通讯和处理方面的能力，各个产品之间的相互工作实现一个完整的医疗手持式方案。

　　血压在血管收缩和舒张的过程中不停变化。血管收缩压是动脉中的峰值压力，它在心律周期接近开始时候发生，此时心室在收缩。血管舒张压是动脉中的压力，它在心律周期接近结束时发生，此时心室充满了血液。一个健康的，平静的成年人的典型血压测量值是：收缩压115毫米汞柱（mmHg）（15千帕斯卡[kPa]）和舒张压75毫米汞柱（mmHg）（10千帕斯卡[kPa]）。SBP和DBP动脉血压不是固定不变的的，一天中的心跳和另心跳之间的血压值也在不断变化。同时血压也会因为压力，营养，药物，疾病和锻炼的影响而改变。

　　如何进行血压测量

　　当包裹着患者手臂周围的袖套被慢慢放走时，袖套中压力的小变化（图2的红色曲线）可以被察觉。这些压力的波动由患者的心律周期产生，接着它通过一个1Hz的高通滤波后被放大和偏移，产生了灰色的血压曲线。这个新信号就是心跳信号。

　　使用前面所述心跳检测方法，可以通过简单的示波计法来测量SBP和DBP，这种方法被大多数自动非介入式血压监护设备所采用。当袖套被充气至收缩压以上，然后缓慢放气时，袖套中的压力变化的幅度被测量。当压力低于血管的收缩压时，这一幅度会突然增加。当袖套中压力进一步下降时，该脉冲幅度达到值并快速减小。舒张压是在这一快速变化的开始时被获得的。因此SBP和DBP是通过定义脉冲幅度的快速上升区域（SBP）和下降区域（DBP）来获得的。平均动脉血压（MAP）就在幅度处。

　　测量SBP和DBP能帮助诊断通常的高血压，但是仅仅靠临床监护不能区分两种通常类型的高血压。

　　原发性高血压

　　原发性高血压是没有明确的原因或可被纠正的原因而引起的高血压。对原发性高血压的判断是收缩压（SBP）持续高于140mmHg或舒张压持续高于90mmHg。

　　白大褂高血压（环境刺激型高血压）

　　白大褂高血压是指仅当处在不同于一般家庭环境的高度压力的环境中而显现的高血压症状，如：在诊所或医生办公室（这就是“白大褂”的出处）引发的高血压症状。患有白大褂高血压的人在诊所环境下测量的血压读数偏高（SBP高于140mmHg，或DBP高于90mmHg），但是离开诊所后血压读数就恢复正常了。白大褂高血压可能被误诊为原发性高血压，这导致了不必要的治疗和额外保险费用的增加。为此，医学们通常建议在家进行几周的测量以确定诊断结果。因此，手提式，易于使用的血压计在家庭里变得普及。

　　患有白大褂高血压的人比一般无任何高血压症状的人更容易在未来发展成原发性高血压。这同其他的风险因素（如吸烟，高胆固醇）结合在一起，令家庭式的监护设备系统需求量增加。

　　治疗高血压的药物有许多，内科医生可以选择结合在一起使 用，包括：

　　ACE抑制剂（血管紧张素酶转化抑制剂）和血管紧张素II受体抗剂，它们避免了血管狭窄

　　阿尔法α阻滞药和贝它β阻滞药，他们能令血管和心脏相对放松

　　钙通道阻滞药，它能帮助扩张血管，促进血流

　　利尿剂能帮助驱除提内多余的盐份和液体

　　除了遵照医疗治疗计划之外，病人必须主动改变生活方式和饮食，并采用治疗性放松技术来帮助减低高血压。无论使用哪种医学手段，或改变哪些生活习惯，连续血压监护都是有效治疗的普遍基础。医生需要准确，实时的病情信息，以改变治疗的方案。这意味着如果患者希望过一种相对正常的生活，他（或她）就应该在诊所以外拥有血压监护设备。

　　如果我们希望高血压患者在家中或是旅行途中能够有效的进行血压测量，那么血压计就必须袖珍便携，并且使用过程不需要过多额外的指导。今天先进的半导体技术能提供更为准确，可靠，经济的半导体器件，这能帮助患者更好的监视他们的高血压，因此实施更有效的治疗并改善饮食和不良的生活方式。

　　模数转换

　　如图1所述，微控制器（MCUs）和压力传感器是血压计的技术。RDQE128BPM参考设计方块图也说明了在这一应用中重要的MCU模块是ADC。飞思卡尔控制器片上的ADC模块是逐次逼近式ADC（见图3）。包含用于获取输入电压的采样锁存电路、一个比较器、一个逐次逼近式寄存器子电路和一个内部参照电压电容式数模转换器（DAC）。DAC提供了比较器一个模拟电压，它等值于从渐近式寄存器（SAR）输出的数字编码，这个模拟电压是为了和VIN相比较。

　　类似于血压监护仪这样的应用需要测量很小的信号。因此ADC分辨率通常是一个关键参数（如，10-比特，12-比特 或16-比特分辨率），这也是为应用设计选择MCU的重要因素。同样重要的还有ADC的。记住所有的ADC有其固有的不准确性，因为他们通过离散的步骤（这一过程被称为量化）来数字化信号。因此，数字输出不能完美的反映模拟输入信号。例如，一个1 2 -比特的转换器将为一个5V的输入电压提供一个1.22mV有效位（LSB）。因此，ADC仅能将数值数字化到1.22mV的倍数：1.22mV,2.44mV,3.66mV等。在这个例子中，它表明一个测量永远不能比±0.5个有效位LSB（±610μV）更为。

　　不幸的是，一些其他嵌入式ADC特性引入了误差并降低了其，这些特性包括：偏移，增益，温度漂移和非线性性。一些ADC例如在飞思卡尔新的Flexis?产品上使用的16-比特ADC具有通过校准减低偏移和增益误差的能力。ADC通道上的片上温度传感器，许多ADC具有测量芯片温度的能力，这使温度补偿得以具体化。

　　一个ADC有效比特位（ENOB）是分辩率和的真实指标。这个数值表明了在一个特定系统中有多少比特提供了准确信息。它可以通过下面的公式计算：

　　ENOB = （SNR - 1.76 dB）/6.02 dB

　　这里，信噪比（SNR）是在有意义信息（信号）和背景噪音（噪音或误差）之间的比率。信噪比值不仅受到ADC设计和芯片集成的影响，也受到印刷电路板（PCB）设计、布线和所选附加离散元器件的影响。一个大的信噪比值意味着更多的信号是数据并且误差很小，这能改进当测量微伏级变化的信号时测量结果的。小的信噪比意味着信号淹没在系统噪声中，受到了影响。

　　提高的技术

　　在一个A D C的输入端增加少量受控的“抖动”噪声信号（0.5LSB高斯白噪声），能够影响一个信号在接近分辨率的一位上向变动，通过这种方法就避免了再去四舍五入。转换的有效位（LSB）的状态随机在0~1之间抖动，而不是固定在一个数值上。通过引入微小噪声，我们扩展了ADC能够转换信号的有效范围，而不是简单去除了在这个低水平上的所有信号（仅被量化成一比特的分辨率）。同样地，这在整个范围内都引入了量化误差。抖动仅仅增加了分辨率，改善了线性度，但是并没有提高。然而，通过在信号里增加1-2位有效位（LSB）的噪声并且采用过采样的技术是可以提高的。

　　当增加人工噪声到一个信号时，重要的是要记得噪声的平均值必须是零。然而，许多系统具有其他来源的白噪声，包括热噪声，CPU核，开关端口和电源中的变化。血压监护仪尤其易于产生白噪声，比如气泵产生的电磁干扰，振动等，这些能被PCB和微处理器所吸收。

　　过采样是通过一个比Nyquist采样频率显着提高的采样率来采集信号的过程。实际上，过采样被用来获取便宜的高分辩的ADC转换器。例如，进行一个16-比特转换，使用一个运行于256倍目标采样率的12-比特的转换器就足够了。对每一个附加分辨率比特，信号必须过采样4倍。一组256个连续的12-比特采样的平均结果在分辨率上增加了4个比特，这样就产生一个16比特的分辨率。因为现实世界的ADC不能进行不间断的转换，输入值应当在转换器进行转换期间保持一定。

　　采样和保持电路通过这样的方法来完成这一任务：用一个电容贮存输入端的模拟电压，并用一个电子开关来使电容从输入端断开。使用设置好适合输入信号的采样和保持时间的ADC将帮助改进转换结果的。

　　上面的两种方法，噪声耦合和过采样能够结合在一起更进一步地改善。如图4所述。这一技术通常被认为是过采样和抽取滤波。顶部的曲线图表示了ADC转换器随时间产生的结果，并且显示了如果不采用附加噪声，单独使用过采样会是怎样的结果。通过增加1-2个LSB噪声，如在底部红色图线表示的那样，同时进行的采样不会有同样的结果。这个方法增加了信噪比（SNR）并且提高了有效比特位（ENOB）。通过在输入信号处增加1-2个LSB噪声和过采样，结果被平均以后可以提供一个更的值。从ADC测量中获得的平均数据，它使输入信号中的毛刺变平时，从而具有减小信号波动和噪声的优点。

　　还有4个可以管理的误差，增益，漏电流和较小范围的温度。一些嵌入式MCU片上的ADC模块，例如在一些新的飞思卡尔Flexis产品上的16-比特ADC，具有硬件校准特性，能在代码执行期间反复进行校准。不具有硬件校准的嵌入式的ADC模块仍然能进行校准，但这必须在工厂中完成，或者有为产品设计的方案。

　　校准是一个3步骤的过程：

　　1. 配置ADC

　　2. 开始校准转换并等待转换完成

　　3. 进行偏移和增益校准

　　偏移和增益校准值能够根据结果被减小或放大。这能在软件或在一些已实现的ADC硬件中完成。例如为监护应用设计的飞思卡尔Flexis产品里的16位ADC。

　　输入的偏移是三个需要补偿的来源中容易处理的。对一个单端输入的转换，输入可以参考同样的内部电压。这应当能产生一个零结果。如果结果不是零，这就是偏移值，它必须从ADC结果中减去。如果使用差分转换模式，偏移值能够通过在两个输入引脚上变换同样信号来找到。

　　一旦偏移值已知，ADC的增益能够从满量程误差中找到。这是在量程的理想输出值（如12-比特ADC中的0xFFF）与偏移值为零时实际输出值之间的差值。

　　图5显示了从接地到满量程一个未校准的斜线（黑色）对应理想斜线（红色）的偏移和增益被夸大的效果。在应用中取决于准确的ADC结果，例如血压监护仪，它被要求指示微小的读数变化（μV），校准应该经常进行，至少在每个重起之后。如果一个硬件功能不存在，校准可以通过设计接地和VDD输入到应用部分，在每次转换后减去偏移并乘以计算的增益来获得。

　　还有一种输入误差的来源，它通常被忽略，但却很重要。在输入引脚上的漏电流能引起在输入端输入电阻上的压降。这一误差可以是在这些电池电压和温度检测电路中有效位LSB的数十倍，如果模拟DC输入阻值高，它使用高的电阻电压分压来形成模拟参考值。的消除这一误差的方法是在设计者的控制下减少模拟DC源电阻和任何形式的泄漏。一个运算放大器作为输入电压的缓冲能够减少模拟DC源的电阻。

　　MCU晶元的温度可以对ADC结果有影响。这是因为ADC的特性随温度变化而变化，同样也随MCU感应噪声，功耗和频率变化而变化。然而，温度是一个慢变因素。一个血压监护仪的常规的重复校准被设计在应用代码中，这使用户不用考虑理想条件，使温度的影响。然而，在工厂中的完全校准（其结果贮存在存储器的查询表中）能够几乎消除温度的影响。许多ADC具有片上温度传感器，它们可以用来监控温度使调节可以进行。数据手册通常给出温度传感曲线，表示为mV/℃来指示典型的特性。

　　非线性几乎是一个无法被校准的因素，因为它通常是模块设计中所固有的。在每个编码转换之间的电压差应该等于1LSB。因此，非线性是指编码步长的不规则间隔，它导致一些信号变形。

　　结论

　　数字化血压监护仪帮助医生诊断并帮助患者控制高血压。准确的血压监护不论在医疗中心和在家庭中都是很重要的，尤其是当诊断白大褂高血压和原发性高血压的时候。

　　在任何测量系统中困难的挑战是将现实世界中的模拟信号转换到嵌入式控制器的数字域的。高分辨率ADC提供了好的分辨率结果（LSB指示nV的变化）但是不能提供必要的高。不同的ADC技术，例如过采样和抽取式滤波，校准，漏电流控制和温度补偿，可以被用来增加基于测量的应用中的和有效比特位。

　　飞思卡尔嵌入式控制器ADC具有高度集成的功能，从而使设计者能够用这些功能适应客户的应用特性，获得高的测量。在的Flexis产品系列中的16-比特ADC能使开发者通过调节ADC的偏移和增益提高，而不增加系统硬件和软件的要求。

　　飞思卡尔血压监护仪器参考设计演示了飞思卡尔的FlexisQE128，JM为控制器，传感器，和模拟产品在信号获取，数据通讯和处理方面的能力，他们在一起实现了一个完整的医疗手持式方案。