基于ARM嵌入式系统的便携式血压检测仪设计

张朝福

摘 要：为了实现血压检测便携性和实用性，文章采用了高性能的STM32F407芯片，实现了对血压检测过程的自动控制与调节。采用摩托罗拉公司MPX21000高精度压力传感器完成血压数据的采集。血压数据采集后可以实现自动显示以及储存，同时还进行了实时操作系统μC/OS-Ⅱ的植入，很大程度上提高了系统的稳定性和精度，且方便进行软件二次开发和升级。

关键词：ARM；血压检测；STM32F407芯片；MPX21000；μC/OS-Ⅱ

随着传感器技术、电子技术和信息技术的发展，嵌入式技术也得到了迅速发展。同时，在嵌入式技术的推动下，医疗电子行业也取得了快速发展。随着生活水平的提高，高血压、冠心病和心脏病的发病率越来越高，给患者和社会带来沉重的负担。因此，检测人体内的血压以及各种预防和治疗尤为重要。目前市场上出现的一些血压检测设备由于便携性不佳，无法实现实时的血压监测，所以对预防的意义不大。因此，本文采用ARM架构STM32F407芯片作为主控芯片，MPX21000作为血压采集芯片，同时，使用μC/OS-Ⅱ实时操作系统。

1 血压测量原理及方法

当血液流动时，它像一条光滑的河流一样流动。但是，当水流通过狭窄的管道时，它会发出声音，根据该原理设计测量人体血压的血压计，有很多方法可以测量血压。该方法进一步分为人工Korotkoff方法和电子Korotkoff方法。人工Korotkoff方法是水银血压计，包含可充气的袖带并使用听诊器。袖带内的气压是水银柱的高度指示，袖带中的压力可以传递到动脉壁，对袖带加压直到动脉壁关闭。然后逐渐减小压力，当袖带的压力与收缩压相同时，血管打开，听诊器听到Korotkoff声，此时袖带压和收缩压相等。袖带上的压力继续下降，恰好低于舒张压，Korotkoff声音消失。这样就可以测得血压了。虽然这种方法简单方便，但人为因素的影响很大，测量结果非常大。所以有一种比较精确的方法，叫作波形特征法。

波形特征方法，也称为突变点方法，根据脉冲的变化确定血压值。根据突变点的原理，在袖带放气期间脉搏的幅度会突然变化，例如收缩压的值和突变时的舒张压值。血压一般有3种典型的判别方法。它们是定性方法、压力波包络拐点方法和弹性判别方法[1]。

2 系统设计

2.1 系统结构

系统结构如图1所示，ARM嵌入式系统是系统的核心。 负责完成整个系统的控制和处理，嵌入式系统主要完成数据的采集，数据的分析处理、存储以及显示的功能。外部电路负责采集信号并驱动电路。

系统的设计以ARM嵌入式系统为核心来进行，主要包括3个组成部分，分别为硬件部分、嵌入式操作系统以及系统控制处理程序。系统对ARM芯片STM32F407予以采用，对整个系统的控制与处理负责。嵌入式操作系统以此硬件平台为基础执行裁剪、配置与移植等任务，主要进行系统多任务的控制与处理。在硬件平台与操作系统上对系统服务程序进行开发之时，主要完成的工作为对数据的采集、分析处理、存储与显示。

当系统开始运行时，STM32 F407主控芯片开始驱动气阀对袖带进行充气以及放气操作，在放气过程中，袖带中的传感器收集并量化血压信号，将压力信号转换为电信号，然后执行滤波处理。低通滤波的主要功能是消除充电和放电过程中产生的高频干扰信号和斜坡信号；然后高通滤波器把低频信号滤掉，最后得到压力的变化信号，但是由于得到的信号比较微弱，因此，必须进行放大器转换，然后发送A/D进行转换处理。

此外，在系统设计过程中，电源模块作为一个不可或缺的部分，主要向整个系统的运行提供能量支持，LCD显示模块则用于分析处理后相关数据的显示[2]。

2.2 系统主控电路

STM32F4系列是ST开发的高性能微控制器，是一款以Cortex-m4为核心的高性能微控制器。拥有最高168 MHz的主频，内部集成了新的DSP和FPU指令，而且拥有多达1 M的 FLASH，192 Kb的SRAM。并且支持硬件浮点计算，它还拥有非常多的外设，例如SPI，IIC，A/D，D/A等。其具体的功能以及连接关系如图2所示。

2.3 滤波电路

本系统中滤波电路尤为重要，图3为本系统的二阶低通滤波器电路的原理图。

3 系统软件设计

3.1 μC/OS-Ⅱ系统设计

μC/OS-Ⅱ意思为控制操作系统版本2，它可以用于各种单片机或者DSP。μC/ OS-II是一款完整、便携、可固化、可裁剪、抢占式、实时多任务处理内核。用C语言编写，包括汇编程序的一小部分。μC/OS-Ⅱ是开源的，提供源代码，可以从网络上下载到。它的移植性也非常好。而且可裁剪，它可以使用条件编译选择只编译自己的主要功能。并且它可以管理64个任务，其中8个为μC/OS-Ⅱ任务，56个为用户程序。本设计系统植入μC/OS-Ⅱ操作系统。

3.2 血压测量软件设计

本流程是基于放气过程介绍，采用示波法测量血压，首先进行快速充气，当压力达到系统设置的值时，停止充气。然后缓慢放气，压力传感器收集压力数据。当它达到一定水平时，即，当收集到准确的血压时，执行快速放气。然后，对收集的压力数据进行滤波器放大处理。之后经由A/D轉换成数字信号。数据以数字信号的形式传输到主控制芯片以进行分析和处理。最后得到血压的值，并且把结果由LCD进行显示。

3.3 LCD显示模块设计

为实现系统的人机交互工程，对带字库LCD液晶LCM12864ZK予以选用，数据传输通过并行接口方式来实现。LCM12864ZK并行数据传输模式中的PSB脚接高电平，在进行并行传输之时，指令控制位（DL FLAG）用于对4位或8位工作模式的控制与选择，基于系统的控制，RS，RW，E等控制端口以及D0-D7等数据输入输出端口各自执行对指令或数据的传输任务。在4位传输模式中，每个8位指令都会被划分成两组，分为两次接受端口的传输，其中，高4位被放置在第1组D7-D0的部分，而低4位则会被放置在第2组D7-D0的部分。

以下為程序设计环节的主要功能函数：

void Delayus（Ulong t）； //延时函数

void BusyLoop（）； //判忙函数

void Write_command（Uchar CMD，Uchar bb）； //发控制字函数

void Write_data（UcharCMD）； //发数据函数

void Initial（）； //初始化函数

void Clear（）； //清屏

void Diaplay（Uchar*ptr，Uchar ddram） //显示字符串函数

4 结语

随着嵌入式技术的发展，有关医疗的电子行业也得到了迅速的发展，本文的血压检测是基于ARM架构的STM3F407芯片的一个典型应用。在如今市场上，血压检测设备都存在很多问题，比如存储容量小，测量精度不佳，不方便使用等。通过使用μC/OS-Ⅱ操作系统，实现了血压测量的小型化，也使得血压测量更方便，更便携。

[参考文献]

[1]高梦龙.探究基于ARM单片机的触摸屏嵌入式系统设计[J].通讯世界，2017（17）：272-273.

[2]邓波.基于ARM单片机的核辐射探测装置设计[J].船电技术，2017（11）：57-59.

Abstract：In order to realize convenience and practicability blood pressure measuring， the paper used high-powered STM32F407 chip to automatic control and regulate blood pressure measuring process. It used MPX21000 high precision pressure sensor that designed by Motorola Inc to accomplish the blood pressure data collection. After the blood pressure data collection， it can realize automatic display and storage functions， at the same time， the detector also inserted μC/OS-Ⅱ real-time operating system， it improved the systems stability and accuracy in a large part， and made a convenience to the systems secondary development and upgrade.

Key words：ARM； blood pressure measuring； STM32F407 chip； MPX21000； μC/OS-Ⅱ