CN104188643B - 一种用于血压测量的压力控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于血压测量的压力控制电路及控制方法，控制电路包括压力传感器、信号调理电路、微控制器、PWM控制器和蠕动泵，压力传感器连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接微控制器的输入端，微控制器的输出端连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的输出端连接蠕动泵；压力传感器采集压力和脉搏波的混合信号，信号调理电路接收混合信号并进行处理，获得压力反馈信号和脉搏波信号并向微控制器发送，微控制器经比较、PI调节后，向PWM控制器发送控制信号，PWM控制器发出相应脉宽的PWM信号，完成对蠕动泵的控制。与现有技术相比，本发明可以在测量过程中有效地控制压力匀速变化，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于血压测量的压力控制电路及控制方法。
背景技术
电子血压计在血压测量过程中，为了得到精确的血压测量值，必须保证脉搏波在各压力点信息是均匀的，即在整个测量过程中压力匀速变化。在传统的降压测血压机测量中，匀速放气阀起着关键作用。而在升压测血压机测量中，测量方式与降压测量原理一样，只是在升压的过程中，若要求压力匀速变化，就必须控制充气泵的转速非线性变化。如果控制的不够精确，在升压的过程中容易造成气流不稳定，压力变化速度不均匀，测量结果容易引起偏差。目前，电子血压计已逐步代替传统的水银柱血压计，而采用气泵进行压力控制的电子血压计，存在气泵控制精度有局限性，同时气泵需额外设置放气阀，进行放气等缺陷。
因此需要研发一种用于高精度血压测量的压力控制电路及控制方法，无论是降压测量方法还是升压测量方法，都能够在整个测量过程中有效地控制压力匀速变化，从而提高测量精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于血压测量的压力控制电路及控制方法，在测量过程中可以有效地控制压力匀速变化，提高测量精度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于血压测量的压力控制电路，包括压力传感器、信号调理电路、微控制器、PWM控制器和蠕动泵，所述的压力传感器的输出端连接信号调理电路的输入端，所述的信号调理电路的输出端连接微控制器的输入端，所述的微控制器的输出端连接PWM控制器的输入端，所述的PWM控制器的输出端连接蠕动泵；
压力传感器采集压力和脉搏波的混合信号，信号调理电路接收混合信号并进行处理，获得压力反馈信号和脉搏波信号并向微控制器发送，微控制器经比较、PI调节后，向PWM控制器发送控制信号，PWM控制器发出相应脉宽的PWM信号，完成对蠕动泵的控制。
所述的信号调理电路包括压力信号放大器和脉搏信号提取电路，所述的压力信号放大器的输入端连接压力传感器，输出端分别连接脉搏信号提取电路的输入端和微控制器的第一输入端，所述的脉搏信号提取电路的输出端连接微控制器的第二输入端，压力信号放大器对压力和脉搏波的混合信号进行放大，其输出端输出压力反馈信号，脉搏信号提取电路接收输入信号后，从中提取脉搏波信号并输出。
所述的信号放大器为AD620芯片。
所述的脉搏信号提取电路包括模拟带通滤波器和射极跟随器，所述的模拟带通滤波器的输入端连接压力信号放大器的输出端，输出端连接射极跟随器的输入端，所述的射极跟随器的输出端连接微控制器的第二输入端，所述的射极跟随器为LM358芯片。
所述的微控制器为STM32f103芯片。
所述的压力传感器为MD-PSG010芯片。
所述的PWM控制器为L293B芯片。
一种用于血压测量的压力控制方法，包括降压测血压的压力控制方法或升压测血压的压力控制方法；
所述的降压测血压的压力控制方法具体步骤为：
101：开始检测压力信号和脉搏波信号，向蠕动泵发出快速加压指令，此时，由PWM控制器向蠕动泵发出占空比80％的脉冲进行开环控制，蠕动泵正向旋转加压；
102：当检测到压力信号达到预设值后，向蠕动泵发出匀速放气指令，以0.3mmHg/毫秒速率开始调节压力降低速率，此时，PWM控制器向蠕动泵发出占空比30％的脉冲进行闭环控制，蠕动泵反向旋转降压；
103：当脉搏波峰值开始下降，并达到最大峰值的50％时，发出检测结束信号，PWM控制器向蠕动泵发出占空比80％的脉冲，蠕动泵反向旋转降压，直至检测的压力信号为0；
所述的升压测血压的压力控制方法具体步骤为：
S1：开始检测压力信号和脉搏波信号，向蠕动泵发出均匀加压指令，以0.3mmHg/毫秒速率开始调节压力增加速率，此时，PWM控制器向蠕动泵发出10％30％可变脉宽的PWM信号进行闭环控制，蠕动泵正向旋转进行加压；
S2：当检测到血压测试完毕，即脉搏波峰值开始下降，并达到最大峰值的50％，向蠕动泵发出快速放气指令，此时，PWM控制器向蠕动泵发出占空比80％的脉冲进行开环控制，蠕动泵反向旋转，直至检测的压力信号为0。
所述的闭环控制为：将反馈的压力信号与预设的压力分布曲线进行对比，若有误差，通过PI调节器调整后，由PWM控制器向蠕动泵发出相应脉冲。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明中升压检测血压控制方法中控制蠕动泵压力匀速变化，通过闭环控制气流稳定精确，使得测量更加精准、快速；
2)本发明中降压检测血压控制方法中利用蠕动泵反转(吸气特型)实现自然放气，可以省略传统的放气阀，通过闭环控制使得降压过程压力均匀变化，使得血压测量更加快速与准确；
3)本发明压力控制电路中采用蠕动泵代替传统气泵，调速性能更佳，精简设备；
4)本发明压力控制电路包括PWM控制器，使用脉冲调宽调制PWM技术，节能，且调速更方便；
5)本发明压力控制电路包括微控制器，通过其实现比较和PI调节的功能，使得PWM控制更加精确，即将反馈的压力信号与预设的压力分布曲线进行对比，若有误差，通过PI调节调整后，由PWM控制器向蠕动泵发出相应脉冲；
6)本发明压力控制电路中信号处理器包括压力信号放大器和脉搏信号提取电路，压力信号放大器由高精度仪表放大器AD620组成，完成压力信号的放大，脉搏信号提取电路由模拟带通滤波器和射极跟随放大器LM358组成，完成脉搏波信号的提取，将压力信号和脉搏波信号作为PI控制参量，便于准确地实现压力的控制。
附图说明
图1为本发明中压力控制电路的结构示意图；
图2为本发明中压力控制框图；
图3为本发明中微控制器的电路图；
图4为本发明中压力传感器、信号调理电路的电路图；
图5为本发明中PWM控制器的电路图；
图6为本发明中降压测血压曲线图；
图7为本发明中升压测血压曲线图。
图中：1、压力传感器，2、微控制器，3、PWM控制器，4、蠕动泵，5、袖带，U1、信号放大器，U2、脉搏信号提取电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种用于血压测量的压力控制电路，包括压力传感器1、信号调理电路、微控制器2、PWM控制器3和蠕动泵4，压力传感器1输出端连接信号调理电路的输入端，信号调理电路输出端连接微控制器2输入端，微控制器2输出端连接PWM控制器3输入端，PWM控制器3输出端连接蠕动泵4。
如图2所示，当所反馈的压力信号与要求的压力分布曲线相比较有误差时，通过微控制器2的PI调节计算，可得PWM所需要的脉宽；通过PWM控制器3，将可变脉宽的PWM信号放大，控制蠕动泵4的正、反向旋转；蠕动泵4控制袖带5充、放气；压力传感器1设于袖带5中，完成压力信号和脉搏波信号的采集、放大和变换，并反馈到微控制器2的输入端，继续进行后续处理。
如图3所示，信号调理电路包括压力信号放大器U1和脉搏信号提取电路U2，压力信号放大器U1输入端连接压力传感器1，输出端分别连接脉搏信号提取电路U2输入端和微控制器2第一输入端，脉搏信号提取电路U2的输出端连接微控制器2的第二输入端，压力信号放大器U1对压力和脉搏波的混合信号进行放大，其输出端输出压力反馈信号，脉搏信号提取电路U2接收输入信号后，从中提取出脉搏波信号并输出。脉搏信号提取电路U2包括模拟带通滤波器和射极跟随器，模拟带通滤波器的输入端连接压力信号放大器的输出端，输出端连接射极跟随器的输入端，射极跟随器的输出端连接微控制器的第二输入端。其中，信号放大器U1为AD620芯片，射极跟随器为LM358芯片，压力传感器1为MD-PSG010芯片，具体连接为：AD620的输出引脚OUTPUT连接微控制器2的第一输入端，标记为压力信号放大器U1的输出端ADC0，由模拟带通滤波器和射极跟随器LM358作为脉搏信号提取电路U2，其输出端标记为ADC1。
如图4所示，微控制器2为STM32f103芯片，要求压力分布曲线、比较器、PI调节均由微控制器2完成，从而实现图2相应的控制指令；STM32f103芯片的引脚PB5、PB6作为连接PWM控制器3的输出端，引脚PC0为第二输入端，连接脉搏信号提取电路U2的输出端ADC1，输入脉搏波信号，引脚PC1为第一输入端，连接压力信号放大器U1的输出端ADC0，输入压力反馈信号，图4中还包括构成STM32f103芯片最小***的周围电路。
蠕动泵4控制采用脉冲调宽调制PWM技术，大幅度降低控制***的成本和功耗，并且使输出平滑，易于调速。PWM控制器3如图5所示，其中L293B是电机驱动控制芯片，其作为PWM控制器3。PWM信号的相应脉宽由STM32f103进行PI调节后获得，STM32f103的引脚PB5连接L293B的引脚IN1，STM32f103的引脚PB6连接L293B的引脚IN2，L293B接收STM32f103的输出控制信号，从而完成PWM信号放大及控制蠕动泵4旋转的功能，L293B输出引脚OUT1分别连接D15的阳极、D17的阴极和蠕动泵4插座SJ-DJ的引脚1，引脚OUT2分别连接D16的阳极、D18的阴极和蠕动泵4插座SJ-DJ的引脚2，D15、D16的阴极均分别连接+12V电源，D16、D17的阳极均分别连接大地，二极管D15、D16、D17、D18构成了保护电路。图5中还包括：L293B的引脚ENA、ENB、VSS分别连接+12V电源，引脚VS连接+5V电源，4个引脚GND分别连接大地。
基于上述压力控制电路，采用一种压力控制方法实现血压测量，包括降压测血压的压力控制方法或升压测血压的压力控制方法。
如图6所示，降压测血压的压力控制方法具体步骤为：
101：开始检测压力信号和脉搏波信号，经过3.06秒后(对应图6中第102点，采样速度为33.3Hz)，向蠕动泵4发出快速加压指令，此时，由PWM控制器3向蠕动泵4发出占空比为80％的脉冲进行开环控制，蠕动泵4正向旋转加压；
102：当检测到压力信号达到预设值后，向蠕动泵4发出匀速放气指令，以0.3mmHg/毫秒速率开始调节压力降低速率，此时，PWM控制器3向蠕动泵4发出占空比为30％的脉冲进行闭环控制，蠕动泵4反向旋转降压；
103：当脉搏波峰值开始下降，并达到最大峰值的50％(对应图6中第1300点)时，发出检测结束信号，PWM控制器3向蠕动泵4发出占空比为80％的脉冲，蠕动泵4反向旋转降压，直至检测的压力信号为0。
根据降压过程采集的压力信号和脉搏波信号，计算获得血压值。
如图7所示，升压测血压的压力控制方法具体步骤为：
S1：开始检测压力信号和脉搏波信号，向蠕动泵4发出均匀加压指令，以0.3mmHg/毫秒速率开始调节压力增加速率，此时，PWM控制器3向蠕动泵4发出10％～30％可变脉宽的PWM信号进行闭环控制，蠕动泵4正向旋转进行加压；
S2：当检测到血压测试完毕，即脉搏波峰值开始下降，并达到最大峰值的50％，向蠕动泵4发出快速放气指令，此时，PWM控制器3向蠕动泵4发出占空比为80％的脉冲进行开环控制，蠕动泵4反向旋转，直至检测的压力信号为0。
根据升压过程采集的压力信号和脉搏波信号，计算获得血压值。
闭环控制为：将反馈的压力信号与预设的压力分布曲线进行对比，若有误差e，通过PI调节器调整后，由PWM控制器3向蠕动泵4发出相应脉冲。
上述压力控制方法可以在降压/升压测量法测量过程中，利用蠕动泵4配合充气速率控制方法而形成特定充气方式和放气机制。
Claims (7)
1.一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，包括压力传感器、信号调理电路、微控制器、PWM控制器和蠕动泵，所述的压力传感器连接信号调理电路的输入端，所述的信号调理电路的输出端连接微控制器的输入端，所述的微控制器的输出端连接PWM控制器的输入端，所述的PWM控制器的输出端连接蠕动泵；
压力传感器采集压力和脉搏波的混合信号，信号调理电路接收混合信号并进行处理，获得压力反馈信号和脉搏波信号并向微控制器发送，微控制器经比较、PI调节后，向PWM控制器发送控制信号，PWM控制器发出相应脉宽的PWM信号，完成对蠕动泵的控制；
所述的信号调理电路包括压力信号放大器和脉搏信号提取电路，所述的压力信号放大器的输入端连接压力传感器，输出端分别连接脉搏信号提取电路的输入端和微控制器的第一输入端，所述的脉搏信号提取电路的输出端连接微控制器的第二输入端，压力信号放大器对压力和脉搏波的混合信号进行放大，其输出端输出压力反馈信号，脉搏信号提取电路接收输入信号后，从中提取出脉搏波信号并输出；
该压力控制电路采用降压式或升压式压力控制方法控制蠕动泵输出匀速变化的压力；
所述的降压式压力控制方法具体步骤为：
101：微控制器开始接收检测的压力信号和脉搏波信号，并通过PWM控制器向蠕动泵发出快速加压指令，此时，由PWM控制器向蠕动泵发出占空比80％的脉冲进行开环控制，蠕动泵正向旋转加压；
102：当微控制器检测到的压力信号达到预设值后，微控制器通过PWM控制器向蠕动泵发出匀速放气指令，以0.3mmHg/毫秒速率开始调节蠕动泵的压力降低速率，此时，PWM控制器向蠕动泵发出占空比30％的脉冲进行闭环控制，蠕动泵反向旋转降压；
103：当微控制器检测到的脉搏波峰值开始下降并达到最大峰值的50％时，微控制器通过PWM控制器向蠕动泵发出检测结束信号，此时，PWM控制器向蠕动泵发出占空比80％的脉冲，蠕动泵反向旋转降压，直至检测的压力信号为0；
所述的升压式压力控制方法具体步骤为：
S1：微控制器开始接收检测的压力信号和脉搏波信号，并通过PWM控制器向蠕动泵发出均匀加压指令，以0.3mmHg/毫秒速率开始调节蠕动泵的压力增加速率，此时，PWM控制器向蠕动泵发出10％～30％可变脉宽的PWM信号进行闭环控制，蠕动泵正向旋转进行加压；
S2：当微控制器检测到的脉搏波峰值开始下降并达到最大峰值的50％，微控制器通过PWM控制器向蠕动泵发出快速放气指令，此时，PWM控制器向蠕动泵发出占空比80％的脉冲进行开环控制，蠕动泵反向旋转，直至检测的压力信号为0。
2.根据权利要求1所述的一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，所述的信号放大器为AD620芯片。
3.根据权利要求1所述的一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，所述的脉搏信号提取电路包括模拟带通滤波器和射极跟随器，所述的模拟带通滤波器的输入端连接压力信号放大器的输出端，输出端连接射极跟随器的输入端，所述的射极跟随器的输出端连接微控制器的第二输入端，所述的射极跟随器为LM358芯片。
4.根据权利要求1所述的一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，所述的微控制器为STM32f103芯片。
5.根据权利要求1所述的一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，所述的压力传感器为MD-PSG010芯片。
6.根据权利要求1所述的一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，所述的PWM控制器为L293B芯片。
7.根据权利要求1所述的一种用于血压测量的压力控制电路，其特征在于，所述的闭环控制为：将反馈的压力信号与预设的压力分布曲线进行对比，若有误差，通过PI调节器调整后，由PWM控制器向蠕动泵发出相应脉冲。
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