基于可編程片上系統(tǒng)的智能電子血壓計設計

對以往電子血壓計的不足，介紹了一種基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的智能電子血壓計的設計，血壓測量的方法采用基于充氣過程的示波法。該系統(tǒng)采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌NNIOS II軟核作為核心處理器，可以完成自動測量血壓、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲、查看和刪除歷史數(shù)據(jù)等功能。由于采用了FPGA，從而簡化了電路的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且使系統(tǒng)具有較強的可擴展性，有利于系統(tǒng)的升級。

血壓是反映心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要生理參數(shù)，合適的血壓是維持人體正常新陳代謝的必要條件。隨著人民生活水平的不斷提高以及城市老齡化程度的提高，人們自我保健意識逐漸增強，電子血壓計具有低成本、小型化、自動化程度高等優(yōu)點，如今已作為家庭必備的保健用品，倍受人們的青睞。SOPC(可編程片上系統(tǒng))是 Altera公司提出的一種靈活、高效的SOC解決方案。用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC。它可以將MCU、DSP和FPGA完美結(jié)合，有非常好的發(fā)展前景。

1 人體血壓測量原理

1．1血壓測量

血壓測量方法有很多，最常用的無創(chuàng)血壓測量方法為柯氏音法和示波法。本文設計所采用的是基于充氣的示波法?；谑静ǚǖ某錃鉁y量恰好是放氣測量的逆過程，如圖1所示，在壓力增加(充氣)過程中，檢測靜壓力和袖帶內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動。壓力較小時，在袖帶靜壓力小于舒張壓Pd之前，動脈管壁在舒張期已充分擴展，管壁剛性增加，因而波幅維持在較小的水平。隨著壓力的增加，當袖帶壓力高于收縮壓Ps時，動脈被壓閉，此時因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細小的振蕩波；當袖帶靜壓等于平均壓時，波幅達到最大值；振蕩波的包絡線所對應的袖帶靜壓力就間接地反映了動脈血壓。

1．2 心率計算

心率指心臟每分鐘搏動的次數(shù)，由于心臟與脈搏搏動一致，所以在測量血壓的同時可以測得心率。心率的測定關(guān)鍵判斷脈搏波的峰值，然后根據(jù)在一定時間內(nèi)測定有多少個脈搏波，從而計算出心率。

2 SOPC系統(tǒng)的硬件設計

SOPC系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖2所示。

2．1 SOPC系統(tǒng)電路

該部分電路由FPGA芯片、存儲器以及其他外圍元件組成，是信號處理的核心部分。由SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境構(gòu)建包括CPU、存儲器接口和I／O外設的嵌入式微處理器系統(tǒng)。完成系統(tǒng)設計后，可以用SOPC Builder來生成系統(tǒng)。下圖為在SOPC Builder中構(gòu)建的系統(tǒng)內(nèi)容配置。

SOPC系統(tǒng)中添加了EPCS設備控制器核，這樣做的目的是做到充分利用系統(tǒng)資源，將FPGA的配置數(shù)據(jù)以及Nios II的軟件程序固化到EPCS芯片中，為Flash芯片節(jié)省出更多的空間來存儲測量結(jié)果。這時Nios II處理器的復位地址要設置為EPCS控制器的基地址，當系統(tǒng)復位后固化到EPCS芯片中的程序?qū)⒆詣酉螺d到SDRAM中運行。

圖4為由SOPC Builder硬件開發(fā)環(huán)境生成的SOPC系統(tǒng)的頂層模塊圖。