Ｉ＿）》．鳗 应 …………………………一 基于示波法的电子血压计的设计 Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｏｏｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗａｖｅ－ｄｉｓｐｌａｙ 长治医学院生物医学工程系 李瑞霞周晋阳 Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｏｍｏｄｉＣｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｚｈｉ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏ１１ｅｇｅ ＬＩ Ｒｕｉｘｉａ ＺＨＯＵ Ｊｉｎｙａｎｇ 【摘要】血压是反映血流动力学状态的最主要的监护指标之一，准确地测量血压对于我们的健康有着重要的意义，本文采用ＢＰ３００Ｓ压力传感器实现准确的压力传感，将袖 带内的气体压力转换成电信号，给出了基于示波法原理实现的电子血压计的软硬件设计过程。 【关键词】电子血压计；压力传感器；单片机 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｌｏｏｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｔｈａｔ ｒｅｆｌｅｃｔ ｈｅ ｔｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｓ ｓ，ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ’ｓ ｂｌｏｏｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓ ｉｆｃａｎｃｅ ｔｏ Ｏｕｒ ｈｅａｌｔｈ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔＢＰ３００Ｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｃｅｕｆａｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｘｔｈｅ ｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅ ｃｕｆｆ ｉｎｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌｓ。Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｉｔ ｖｅｓｔｈｅ ｄｅｓｉｎ ｇｏｆｔｈｅ ｈｍｆａｗａｒｃ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂｌｏｏｄ ｐｒｅｓｓｒｅ ｕｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｓｃｉｌｌｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂｌｏｏｄｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅｔｅｒ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；Ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ 引言 随着电子技术的进步，人们生活水平的 不断提高，健康已经成为人们越来越关注的话 题。许多便携化，家庭化的医学电子仪器逐渐 深入到人们的日常生活当中，电子血压计产品 目前己在国际市场上占据庞大而稳定的市场。 血压计可以让人们随时测量自己的血压状况， 也可以了解到自己的身体健康状况，对防病治 病、及早发现疾病，都具有重要意义。 目前已有多种方法测定血压波形和血压值， 水银血压计是最常用的方法。一般医院使用的 水银血压计，是基于柯氏音法，专业医生可以 号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值 有时远大于差模信号。因此，仪用放大器除具有足 够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模 抑制比。同相并联结构前置放大电路，是生物放大 器前置级经常采用的设计方案，本文选用由三运放 构成的仪用放大器，如图２所示。 Ｒ４ 号进行处理。采用反向放大电路，如图４所示。 圈４＝级放大电路 用听诊器进行人工听诊，来判断收缩压和舒张 压的值。但是柯氏音法测量血压易受外界干 扰，与医生的熟练程度和专业技术有关，容易 受环境和测量人员主观因素的影响，存在一定 的误差。 图３滤波电路 否 示波法测量血压的过程与柯氏音法类似，通 过给袖带充气来阻断上臂动脉血流，然后缓慢减 压，在放气过程中检测袖带内的气体压力，提取 重叠于血管壁搏动的微弱的脉搏波。靠仪器识别 脉搏波振幅与气袖压力之间的相应关系，并加以 差别，从而得出血压值。与脉搏波最大值对应的 是平均压，收缩压和舒张压分别为第一个大于等 于０．５倍的ｋ值所对应的血压值及第一个小于等于 ０．８倍的ｋ值所对应的血压值。 ２．２滤波电路 在生命活动中，生物体的各种信息都是同 时存在并彼此相关的，是一个极其复杂的系统， 因此从生物体中有效的提取被测信号。是医学测 量的重要问题。从传感器输出的信号实际是脉搏 波与静压力信号的叠加，还有其他来自外界信号 的高频干扰或直流低频分量，实际测压时，如果 被测者身体移动可能会产生较大的干扰，而这种 干扰与脉搏波的频率很相近，且幅值较大，另外 图５程序流程圈 ＡＶＲ Ｍｅｇａｌ６ 单片机 图１系统设计框图 图２前置放大电路 １．系统总体设计 本系统主要由压力传感器ＢＰ３００，四路运算 放大器ＬＭ３２４，两级放大电路，滤波电路，单片 机ＡＴｍｅｇａｌ６和ＬＥＤ显示器组成。核心部分是专用 压力传感器ＢＰ３００，信号处理芯片ＡＴｍｅｇａｌ６。前 者实现准确的压力传感，将袖带内的气体压力转 换成电信号，后者控制整个电路的工作，使用 ＡＶＲ单片机ＡＴｍｅｇａｌ６实现对信号的采集，处理， 将收缩压和舒张压在ＬＥＤ屏上显示出来。系统整 体设计框图如图ｌ所示： ２．系统硬件设计 ２．ｉ前置放大电路 生物电信号源本身是高内阻的微弱电信号 源，所提取的被测信号非常微弱。而传感器和电路 中的器件又会产生噪声。此外，从传感器获得的信 一５０ＨｚＩ频干扰无处不在，所以应该采用抗干扰措 施。虽然传感器有放大功能．但对脉搏波的放大 能力有限，主要还是静压力信号，静压力信号属 于低频信号，频率小于等于０．０４Ｈｚ，脉搏波信号 大约在０．ｉ至３０Ｈｚ左右．因此将混合信号分为两 路，一路直接输入单片机进行模数转换，另一路 经滤波放大后使其幅度尽量接近单片机模数转换 模块的允许上限，提高采集数据的精度。采用了 二阶无限增益多路反馈低通滤波，如图３所示。 ２．３二级放大电路的设计 理论上对于微弱的脉搏波可以通过一次放大 达到要求，但是由于各种因素的影响，实验过程 中前置放大电路仪表放大器的增益倍数越大，误 差越大，所以放大倍数有限，实验中前置放大仅 对信号放大了十倍，滤波后再通过二次放大对信 ３．系统软件设计 主要运用ＡＶＲ单片机的ＡＤ转化功能，实现数 据的采集和存储，并利用算法对信号进行处理。 从生理上讲，人的血压一般在１８０ｍｍＨｇ以 下，启动单片机，在袖带开始充气后对气体压 力进行检测，当压力快接近２００ｍｍＨｇ时，停止充 气，用放气阀匀速放气，此时分别通过ＡＶＲ单片 机的ＰＡｌ口和ＰＡ２口接收袖带内静压力信号和脉搏 压，并转化为数字信号，将静压力信号的值存入 血压数组，找出采集的每组脉搏波的峰值，存入 脉搏波数组。信号采集完后，利用主函数处理数 据，找出脉搏波数组的最大值，与之对应时刻的 血压数组的值即为平均压，记为ｋ，找出第一个 大于等于０．５倍的ｋ值所对应的血压值为收缩压， 第一个小于等于０．８倍的ｋ值所对应的血压值为 １４８一电－７－－ｍｎ …………………………一设 应 一 （（＿－ 基于声传感器阵列的声源定位系统设计 中北大学机械与动力工程学院李超黄晋英林琦 【摘要】目前国际上经过多年的研究，声源定位己经有一些初步的实际可用的定位系统。本文针对声源定位系统对数据采集的特殊要求，采用传声器阵列采集信号，使用广义互 相关算法来解决时延估计的问题，开发软件系统。实验结果证明所设计的低频声源定位系统可以较为准确的实现低频声源的定位，且定位误差较小，在误差允许范围内。 【关键词ｌ传声器阵列；声源定位；广义互相关；时延估计 引言 随着电子技术发展。声源定位的基本原理和 设计变化不大，主要是采用各种现代化技术实现 自动化、集成电路化，提高了性能。现有的声源 里叶变换，得到广义相关函数 ）： （４）把一路互相关函数 （ｒ）１故希尔伯特变 换．得到其希尔伯特变换 （ｒ），取绝对值，并 将其和互相关函数 （ｒ撒差值运算，得到： 州ｒ）－ ．（ｒ）一恁 （ｒ ｘ轴，传声器３为Ｙ轴，传声器４为ｚ轴。最后声 源定位的结果为ｓ（¨ ｍ ３．３实验结果 定位系统一般用热线，碳粒或电容传声器接受声 音信号，用无线电技术或光纤技术传输信号，用 点蚀纸带或墨水纸袋记录测量结果，并把记录仪 与计算机相连，用计算机处理测量结果。声测基 线采用直线，弧线，正方形等多种形式。目前， 定位侦察距离可达３０ｋｉｎ，精度达到１％。 本文将若干个传声器按照一定的几何结构 排列。组成传声器阵列，通过阵列信号处理的 方法对该阵列接收到的声源信号进行处理，设 计开发了一套声源定位系统，并在本实验系统 的基础上进行了声源定位实验，根据实验结果 分析了系统性能，提出了改进方案，确定出声 源的几何位置。 １．定位系统设计 声源定位结果可作为改善环境跟踪录音效 果的依据，也可作为军事侦察的手段。声源定 位系统硬件结构框：由驻极体电容传声器采集 到声音信号后，经过模数转换电路板去噪，数 据采集卡得到的数据传回到ＰＣ机，计算出每个 传声器接收到声音到达时间差值，最后通过声 （５）检测相关函数 （ｒ）的峰值所对应的位 置，即可得到估计的时延值６。 ２．３声源定位方法理论 实验采用基于笛卡尔坐标系的几何定位方 式，根据声源和传声器阵列空间分布位置，建 传声器２、３、４与传声器ｌ间的距离口为 ０．４ｍ。在实验中，声源的坐标位置为（ｏ３．３．ｏＪ）， 声源使用普通的哨子，以１４５０￣ｚ的采样频率采集 声音信号。各通道波形显示如图２所示。 下面是实验中的过程数据，分别对数据进 行广义互相关计算所得出的时延ｒ和根据声速 得出的距离差５： 表１计算中过程■时延与距离差 立定位算法模型，利用ＭＡＴＬＡＢ强大的计算能力 解方程得出声源坐标。 传感器位置及各传感器之间时延可列方程 式（１）： 、Ｉｉ＝＝ 鬲 ．ｃ ｃ 根据各通道的时延使用基于笛卡尔坐标系的空 间几何定位法，得到唯一的声源坐标解。ＭＡＴＬＡＢ计 算的声源位置结果为Ｓ（０．４￣９３．２－－￣１．０．６ｓ３Ｄ。为适应 ｃ （１） 解方程式可得声源位置ｓ（ｘ ：）。 ３．低频声源定位实验验证 为了检验低频声源定位系统的定位性能， 选择了在实际环境中的进行试验，通过得到的 实验数据，给出了定位实验结果及精度，并对 试验误差进行简单分析。 ３．１实验环境 实验是在一问普通的办公室进行，室内空 某些时候传声器阵列的使用．程序根据定位结果产 生球坐标结果ｓ（３．０２９，８０ ４６．４９．４５）。 即，－３．０２９一ｆ， －ＳＯ．４６￣．一 ４９．４５・。 定位结果Ｓ（０．４８９３．２．９１，０．６８３１），与实际声源 坐标ｓ（０－５。３．０．７）相比，较为精确，符合定位精 度要求。 ３．４实验误差分析 源定位程序得到声源估计位置。 ２．定位系统设计 ２．１数据采集 图ｌ为声信号采集电路板实物图。 在实际的声源定位实验中，有很多因素影 响着声源定位的结果。 首先各声传感器接收到声音的时间差不准 确会影响定位的精度。 其次是多通道数据采集卡的采样速率，ＰＣ 机的处理速度，数据采集系统本身的测量误差 都会对最终的定位结果产生影响。 ３．５结论 由实验所得到的低频声源定位结果可知， 间为９ａｔｘｌ３￣ｘ４ｍ。室内并不空旷，有办公桌等办 公设备，周围墙壁未经任何处理，噪声强度中 等，无风。 Ｊ Ｌ ｒｒ－” ｒ ｒｒ １ ● 在误差允许的范围之内，定位结果可以满足实 际需要。 参考文献 围１芦傅号采■电路板 【Ｉ】王春霞．声源定位系统时延估计算法优化研究【硕士学 位论文】河南：河南工程大学，２０１２． Ｉ２ｌ郭俊成．基于传声器阵列的声源定位技术研究【硕士学 位论文】．南京：南京航空航天大学，２００７． 【３］胡正伟．无源时差定位中时延估计方法的研究【硕士学 位论文】．甘肃：兰州交通大学，２０１２ 【４］赵海鹰声源定位系统【硕士学位论文】．合肥：中国科学技 术大学，２００５ ２．２时延估计算法 实验采用改进的广义互相关时延估计算 法，步骤如下： （１）将接收信号 （Ｉ （ｆ）分别通过频率响 应 ∽ （，）的预滤波器。对其进行预滤波处理； （２）对预滤波处理后得到的互功率谱密 度函数 ，（ ｒ）进行加权，得到互功率谱密度函数 Ｇ＾ （，）…： 围２各通道声信号波形 ３．２实验理论依据 实验时声源在房间任意位置，阵列和声源 的空间几何位置：传声器１为原点，传声器２为 Ｉ５】崔玮玮，曹志刚，魏建强．声源定位中的时廷估计技术哦． 数据采集与处理，２００７，２２（１）：９１—９８． （３）对互功率谱密度函数 （门进行反傅 舒张压。图５所示为软件设计流程图。 ４实验结果与分析 选取ｌＯ组测量者，对同一个测量者在相同 时间，相同地点分别采用本电子血压计和水银 血压计进行测量，将测量结果进行比较以后， 本血压计的测量结果均略有偏大，但可以控制 在１ＯｍｍＨｇ的误差范围内。本电子血压计还有许 多需要完善的地方，比如传统袖带式的固定方 参考文献 电子设计工程，２０１２，２０（１５）：１６０—１６２ 基金项目：２０１ ３年长治医学院校级课题“现代教育技 术与专业教学的有效整合”。 …１马潮．ＡＶＲ单片机嵌入武系统原理与应用实践（第２版）【Ｍ】 北京：北京航空航天大学出版社，２０１１．８． ［２］童诗白，华成英．模拟电子技术基础（第４版）【Ｍ】北京：高 等教育出版社，２００６．５． 【３】刘坚强，王永才．基于示波法的电子血压计系统设计 Ⅱ】单片机与嵌入式系统应用，２０１０（４］：６２—６５． 【４】顾涵．基于ＡＴ８９Ｓ５１单片机的电子血压计设计Ⅱ］常熟 理工学院学报，２０１ １，２５（８）：９７－１００． 作者简介：李瑞霞（１９７９一），女，山西沁水人，硕士 研究生，讲师。主要从事生物医学工程方面的研究 式可以改为指套式来测量，可以改进算法加快 程序执行速度，增强血压计测量的准确性。 通讯作者：周晋阳（１９５８一），男，山西长治人，大 学本科，教授，主要从事生物医学工程方面的研究。 ［５】周昆鹏．基于ＭＳＰ４３０单片机的电子血压计的设计Ｕ】． 电子世界一１４９—