基于STM32L的便携式动态血压监测仪优化设计

刘梦星，周乐川，黄超，叶树明，陈杭

1 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，杭州市，310027

2 浙江大学生物医学工程教育部重点实验室，杭州市，310027

3 浙江省心脑血管检测技术与药效评价重点实验室，杭州市，310027

基于STM32L的便携式动态血压监测仪优化设计

【作 者】刘梦星1,2,3，周乐川1,2,3，黄超1,2,3，叶树明1,2,3，陈杭1,2,3

1 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，杭州市，310027

2 浙江大学生物医学工程教育部重点实验室，杭州市，310027

3 浙江省心脑血管检测技术与药效评价重点实验室，杭州市，310027

基于ARM Cortex-M3内核的32 bit超低功耗微控制器STM32L151RBT6，研制出由两节5号电池供电的便携式动态血压监测仪：提出运用超级电容技术解决电源稳定性问题，并设计新型安全逻辑电路来防止袖带过压。实验结果表明，该解决方案准确稳定且安全系数高，具有很强的临床应用价值。

动态血压监测；便携式医疗仪器；STM32L；超级电容；安全电路

0 引言

动态血压监测（Ambulatory Blood Pressure Monitoring，简称ABPM）能排除传统血压测量时的偶然性，避免因被测者情绪、运动、进食等因素而造成影响[1]，可以更客观地评价患者24 h生活中的血压变化水平，从而对慢性心血管疾病的早期确诊和预防起到重要帮助。此外，临床常通过动态血压监测，更加精确和个性化地对高血压患者进行药效评估，从而指导给药[2]。

区别于传统血压计，动态血压监测仪的设计对功耗、体积重量、安全防护和运动干扰等方面提出了新的要求。同时，降低仪器设计成本，有利于提高动态血压监测的普及度，进而能积极推动社区医疗与家用医疗的进程[3]。因此，紧密跟随半导体技术的发展步伐，研究和改进动态血压监测仪的设计方案，具有重要意义。

本文基于袖带式示波法血压测量原理[4]，围绕仪器设计中的关键问题，研制了基于新型32 bit超低功耗MCU的动态血压监测仪，整体解决方案具备低功耗、高稳定性和安全系数高等特点。

1 系统整体方案

图1 硬件系统框图Fig.1 Hardware block diagram of this system

系统框图如图1所示，本设计选用低功耗、高性价比的STM32L151RBT6作为监测仪的主控制器。STM32L是由意法半导体推出的业界首款基于ARMCortex-M3内核的32 bit超低功耗微控制器系列，其高集成度外设、高运算效率和低成本优势，已超越16 bit超低功耗MCU，甚至在各模式的功耗水平上，也不逊色于16 bit系统。

基于该MCU，本系统在实时时钟（RTC）的定时触发下，通过驱动电路控制泵阀启停，从而对人体上臂袖带进行充放气；主压力传感器输出电信号，经模拟电路滤波、放大后，利用STM32L内部12 bit SAR型ADC转化为数字信号；经32 bit处理器内核计算得出血压值，并将其与全过程压力波形保存至外部Flash；按键、OLED显示屏、蜂鸣器作为人机交互设备，24 h动态监测结束后，可通过USB、蓝牙或红外通讯方式，读取全程数据，从而利用上位机作进一步分析、管理和报表。

2 仪器设计优化分析

2.1 模拟信号采集

示波法又称压力振荡法，主要通过袖带充气阻断人体上臂动脉血流，然后在匀速放气过程中利用压力传感器提取脉搏波，进一步计算血压值。本系统选用MP3V5050GP型集成压力传感器，其特性如下：(2.7～3.3) V电源供电，压力输入范围(0～50) kPa；片上全范围温度补偿，精度、线性度与可靠性高。其电压传递函数如(1)式所示，其中：VS为电源电压，P为输入压力，VERROR为偏置误差。

可见，在电源电压恒定的条件下，压力转换的主要误差由VERROR项引起。实际充气过程中，可利用两点求直线方法进行函数标定，确定当前VERROR值，从而减小误差，提高测量准确度。

启动测量后，STM32L通过内部TIM定时器输出PWM波，利用外部功率MOS管驱动泵阀，实现袖带充放气。在此过程中，压力传感器输出对应电压值，经图2所示的模拟信号调理放大电路后，产生袖带静态压力和脉搏波信号，输入至片上ADC。

2.2 电源系统

图2 模拟信号放大电路Fig.2 Analog signal amplifer circuit

电源结构与性能的优劣是决定仪器能否稳定运行的关键因素，与传统血压计不同，动态血压监测仪的电源设计格外讲究：

(1) 医院临床为了提高诊断效率，往往要求动态监测设备使用干电池供电，便于转换就诊对象[5]；

(2) 单个患者通常随身携带该设备24 h以上，全程血压测量超过50次[6]，减少电池数量、充分利用电池低压段的电量，有利于降低整机体积重量并延长测量次数。

如图3所示，利用两节5号电池给系统供电。选用额定电压为3 V的低压隔膜泵(平均工作电流约400 mA)、开关阀（常开，闭合电流约100 mA）和线性阀(工作电流约110 mA)，电池输出电压3 V-VBAT直接给开关阀供电，用于快速放气与安全放气；VBAT经初级DC-DC转换器TPS61030升压至4.2 V-MVCC，为泵和线性阀供电，该DC-DC转换效率高、静态功耗20 μA、1.8 V低电压输入条件下的最大输出电流可达1 A，满足系统功率要求。

图3 电源系统设计框图Fig.3 Block diagram of power supply system

然而，如图4所示：在泵阀启动瞬间，系统功耗会高于1 A，干电池输出功率有限，电池电压瞬态下陷，造成MVCC短程降低，若MVCC直接耦合至线性稳压芯片的输入端VCC，将引起3.3 V-DVCC瞬时掉电，造成单片机复位，影响系统稳定工作。随着测量次数的积累，电池电压逐渐降低，上述现象越来越明显，倘若早期就利用电源监测中止测量，将造成有效电量的不合理浪费。

图4 低压启动时的电源变化Fig.4 Change of power signals on low voltage startup

因此，提出使用超级电容器SC进行局部储能，在MVCC与VCC之间串联充放电转换电路。超级电容又称电化学电容器，具有功率密度高、循环寿命长和充放电时间短等突出优点[7-8]，恒流放电特性如图5所示，设电容C=0.1 F，V0=4.1 V，V1=3.4 V，恒定电流I=20 mA，对超级电容放电时间估算：

其中RESR为超级电容等效串联阻抗，忽略内部损耗，得：

图5 超级电容恒流放电曲线Fig.5 Constant current discharge of super-capacitor

在非功率启动时期，MVCC经D1与限流电阻R1对SC进行快速充电，同时给系统供电；泵阀启动或电源意外断合瞬间（如仪器摔落、碰撞等），超级电容通过D2放电，可短时支撑数字系统稳定工作数秒。

2.3 过压安全防护

对于以微控制器为核心的数字式血压测量系统，尤其针对完全自主测量的动态血压监测仪，电磁干扰、机械振动、元件老化等诸多不确定因素将影响充放气控制，对设备的使用安全造成隐患。因此，必须额外设计完善的气压过充保护电路。

如图6所示，过压防护过程共经历3个步骤，任意环节发生异常，都将导致安全防护功能失效。因此，针对每一步，均设计了两重保护措施，如图7所示。若主压力传感器发生异常，可检测副压力传感器，获取当前静态压力值；若线性阀（又称比例阀）出现机械故障，安全阀将起到安全放气的作用；然而，最易发生异常的当属中间的“逻辑控制”环节。

图6 过压防护过程Fig.6 The process of overpressure protection

图7 过压安全逻辑电路Fig.7 Safety logic circuits for overpressure protection

图8 安全逻辑电路的工作流程图Fig.8 Workfow charts of the safety logic circuits

结合图7和8，可将“逻辑控制”分为3条并行安全反馈通路：

(1) MCU正常，定时喂狗，利用两路AD监视袖带静态压力，若到达充气阈值(PD，单位mmHg)，则直接控制泵阀放气。

(2) MCU异常(主要为程序跑飞、内核异常等)，看门狗发出“叫声”，清零D触发器，与门输出低电平，关闭总控制开关。

(3) MCU异常(ADC模块或控制泵阀的IO管脚出现异常)，压力超过参考阈值(REF)，比较器发生翻转，进而泵阀断电。

3 实验及讨论

3.1 电源监测

结合图3和9，分析超级电容改善电源稳定性的实际效果。实验条件：电池电压2.6 V，升压至MVCC为4.2 V；STM32L输出60%占空比驱动泵阀，其等效工作电压约2.5 V；MVCC利用低压差LDO稳定DVCC至3.3 V。

分别放置470 μF和1 500 μF电解电容至SC位置，如图9(a)和9(b)所示，随着电容局部补偿功率的提高，在泵阀启动瞬间，因电池输出功率不足导致的DVCC下跌现象有所缓解。然而，一般电解电容漏电大、功率密度低、体积大等弊端，限制了仪器的便携性，因此，使用ELNA的0.1F超级电容(12 mm×6 mm×5 mm)，由图9(c)可见：超级电容在泵阀启动瞬间，等效充当数字系统的备用电源，MVCC快速恢复，DVCC平稳工作，消除了系统复位风险。

图9 不同电容补偿下的电源监测信号Fig.9 Power signals under different capacitors

此外，利用该电源方案，在24 h监测过程中，仪器意外碰撞、内部接插件松动等常见故障出现时，都几乎不影响系统的稳定运行。

3.2 安全仿真测试

实际工作中，造成仪器发生异常的因素具有不确定性。因此，针对安全逻辑电路，可通过软硬件模拟仿真的办法，验证其有效性与可靠性。

结合图8所示，设计3项嵌入式软件测试用例，分别做300次重复试验，记录安全放气的次数。表1测试结果表明，安全逻辑电路简单可靠，能有效实现过压保护。

表1 安全逻辑电路测试Tab.1 Tests of the safety logic circuits

3.3 工程样机

图10 样机实物及其测试散点图Fig.10 Physical prototype & its test scatter diagram

如图10所示，为优化设计后的工程样机实物，仪器内置血压测量算法，以FLUKE®BP Pump2模拟器作为标准被测对象，设置4组不同的收缩压（SBP）和舒张压(DBP)，记为(SBP，DBP)：(80，50)、(100，65)、(120，80)、(150，100)，单位mmHg (1 mmHg=133.32 Pa)。每组实验连续监测24 h，每隔30 min定时测量，实时计算收缩压、舒张压及心率值，并将结果与波形数据保存至外扩Flash中。散点图可见：测量结果的误差范围在±3 mmHg内，满足美国医学仪器进展协会（AAMI）的±5 mmHg标准[9]。

3.4 同类仪器比较

表2将本仪器与国外典型产品作对比，显然：本设计在使用2节5号电池供电的条件下，有效测量次数可达300次以上，即功耗、体积和重量等指标具有明显优势；测量准确度相当。

此外，本仪器利用独立看门狗与D触发器相结合的安全逻辑组合，扩充副压力传感器与安全阀，相比其它仪器的双CPU等方案，具有低成本、生产调试便捷等优点。

4 结语

表2 同类仪器比较Tab.2 Comparison of similar instruments

本文提出以ARM公司低成本、高能效Cortex-M3内核的32 bit微控制器STM32L151RBT6为基础；利用超级电容局部储能，在泵阀启动瞬间，抑制数字系统电源跌落现象；通过外扩逻辑控制电路来增强系统的安全性。实验结果表明，该解决方案优化后的仪器，在性能指标上，毫不落后于国外知名产品，进而更好地满足了临床日益增长的使用需求。

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[9] 于斌. 动态血压监护仪的开发与实现[D]. 燕山大学, 2004.

Optimal Design of Portable Ambulatory Blood Pressure Monitor Based on STM32L

【Writers】Liu Mengxing1,2,3, Zhou Lechuan1,2,3, Huang Chao1,2,3, Ye Shuming1,2,3, Chen Hang1,2,3
1 College of Biomedical Engineering & Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Key lab of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
3 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal, Hangzhou, 310027

ambulatory blood pressure monitoring, portable medical instrument, STM32L, super-capacitor, safety circuit

TH772

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.009

1671-7104(2014)05-0345-05

2014-01-23

刘梦星，E-mail: mason_liu_bme@163.com

叶树明，副教授，E-mail: ysmln@vip.sina.com

【 Abstract 】Based on the 32-bit ultra low power microcontroller STM32L151RBT6 using ARM Cortex-M3 kernel, the portable ambulatory blood pressure monitor powered by two AA batteries was designed. In order to insure the stability of power supply and prevent overpressure of cuff, super capacitor technology and new kind of safety logic circuits were used. The experimental result shows that: this solution is accurate and stable, which has high safety coeffcient and a great clinical application value.