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基于瑞萨的血压测量仪电路实现

news 2026/5/12 6:25:14

一、系统架构设计

基于瑞萨的血压测量仪系统架构分为传感器模块、模拟前端（AFE）、微控制器（MCU）、执行模块、通信模块和电源模块，具体如下：

传感器模块

模拟前端（AFE）

微控制器（RL78）

执行模块（气泵/电磁阀）

通信模块（BLE）

显示模块（LCD）

电源模块

  • 传感器模块：采集袖带内的压力信号（静压+脉搏波），采用Honeywell ABPDANN005PG2A3（12位I2C数字输出，精度±0.25%FS）。

  • 模拟前端（AFE）：对传感器信号进行放大、滤波和模数转换，采用RL78/H1D内置AFE（24位ΔΣ ADC、PGA、运算放大器）。

  • 微控制器（MCU）：核心控制单元，运行血压算法（示波法），控制执行模块和通信模块，采用RL78/H1D（16位CPU，128KB Flash，8KB RAM）。

  • 执行模块：控制袖带的充放气过程，采用MITSUMI MAP-AM-265气泵（6V，400mmHg）和Yujin KSV05B电磁阀（6V，快速放气）。

  • 通信模块：实现蓝牙数据传输，采用RL78/G1D BLE模块（支持蓝牙4.0）。

  • 显示模块：显示血压值和状态，采用4位8段LCD（RL78/H1D内置LCD控制器驱动）。

  • 电源模块：提供稳定供电，采用4节AAA电池（6V）或DC 6V适配器，通过XC6206-3.3V稳压至3.3V。

二、硬件电路设计

1. 传感器模块电路

核心器件：Honeywell ABPDANN005PG2A3（I2C数字输出）。

电路连接：

  • VCC：3.3V（来自稳压电路）；

  • GND：接地；

  • SCL：连接RL78的I2C时钟引脚（如P1.0）；

  • SDA：连接RL78的I2C数据引脚（如P1.1）；

  • INT：中断引脚（可选，用于触发数据读取）。

设计要点：

  • 传感器输出为12位数字信号（I2C），无需额外ADC，直接连接RL78的I2C接口；

  • 需在SCL/SDA线上添加10kΩ上拉电阻（符合I2C标准）。

2. 模拟前端（AFE）电路

核心器件：RL78/H1D内置AFE（24位ΔΣ ADC、PGA、运算放大器）。

电路设计：

  • 放大电路：采用RL78/H1D内置可编程增益放大器（PGA），增益设置为100倍（放大传感器输出的毫伏级信号）；

  • 滤波电路：采用RL78/H1D内置IIR数字滤波器（截止频率5Hz），滤除高频噪声（如电源干扰、运动噪声）；

  • ADC转换：采用RL78/H1D内置24位ΔΣ ADC（采样率100Hz），将模拟信号转换为数字信号（有效精度18位）。

    设计要点：

  • PGA增益需根据传感器输出范围调整（如传感器输出0-3V，PGA增益100倍后，输出0-300V，需匹配ADC输入范围）；

  • IIR滤波器系数可通过瑞萨GUI工具模拟计算（如压力传感器波形提取），并写入RL78固件。

3. 微控制器（RL78/H1D）电路

核心器件：RL78/H1D（R5F11NMGAFB#10，80pin LFQFP）。

电路连接：

  • I2C接口：连接传感器（SCL/P1.0，SDA/P1.1）；

  • PWM接口：连接气泵（P2.0，控制充气速度）；

  • GPIO接口：连接电磁阀（P2.1，控制放气）；

  • LCD接口：连接4位8段LCD（COM0-COM3，SEG0-SEG7）；

  • UART接口：连接BLE模块（TX/P3.0，RX/P3.1）。

    设计要点：

  • RL78/H1D内置LCD控制器，无需额外驱动芯片，直接驱动4位8段LCD；

  • PWM频率设置为1kHz（气泵控制），占空比可调（0-100%）；

  • UART波特率设置为9600bps（BLE通信）。

4. 执行模块电路

核心器件：MITSUMI MAP-AM-265气泵（6V）、Yujin KSV05B电磁阀（6V）。

电路设计：

  • 气泵驱动：采用P沟道MOSFET（IRLML6402）和NPN三极管（DTC114），RL78的PWM信号（P2.0）控制三极管导通，进而控制MOSFET通断，实现气泵充气；

  • 电磁阀驱动：采用NPN三极管（DTC114），RL78的GPIO信号（P2.1）控制三极管导通，实现电磁阀放气。

    设计要点：

  • 气泵和电磁阀的电源需与MCU电源隔离（采用6V独立电源），避免干扰；

  • MOSFET和二极管（SS34）需添加10kΩ限流电阻（保护MCU引脚）。

5. 通信模块电路

核心器件：RL78/G1D BLE模块（支持蓝牙4.0）。

电路连接：

  • TXD：连接RL78的UART接收引脚（P3.0）；

  • RXD：连接RL78的UART发送引脚（P3.1）；

  • VCC：3.3V；

  • GND：接地。

    设计要点：

  • BLE模块需与手机APP（如Android/iOS）配对，传输血压数据（收缩压、舒张压、脉搏率）；

  • 手机APP需支持BLE GATT协议（如Nordic Semiconductor的nRF Connect）。

6. 电源模块电路

核心器件：4节AAA电池（6V）、DC 6V适配器、XC6206-3.3V（低压差稳压器）。

电路设计：

  • 输入：6V电源（电池或适配器）；

  • 输出：3.3V（供给传感器、MCU、BLE模块等）；

  • 滤波：在稳压芯片输入/输出端添加0.1μF陶瓷电容（去耦，减少电源噪声）。

    设计要点：

  • 电池需采用低功耗型号（如Panasonic Eneloop），续航时间≥30天；

  • 适配器需支持过压保护（如TVS管SMBJ36A），避免损坏电路。

参考代码 基于瑞萨的血压测量仪电路+源代码+设计文档www.youwenfan.com/contentcss/70636.html

三、软件算法设计

1. 主程序流程

系统初始化

传感器校准

等待用户按键

启动测量

气泵充气

电磁阀放气

采集压力信号

运行血压算法

显示结果

蓝牙传输

  • 系统初始化：初始化RL78的I2C、PWM、UART、LCD等外设；

  • 传感器校准：读取传感器零点（无压力时的输出），补偿温度漂移；

  • 等待用户按键：用户按下“开始”键，启动测量；

  • 气泵充气：RL78输出PWM信号，控制气泵充气至180mmHg（高于收缩压）；

  • 电磁阀放气：RL78输出GPIO信号，控制电磁阀以3-5mmHg/秒的速度放气；

  • 采集压力信号：RL78通过I2C读取传感器输出的压力信号（100Hz采样率）；

  • 运行血压算法：从压力信号中提取脉搏波，计算收缩压、舒张压和脉搏率；

  • 显示结果：LCD显示血压值和状态（如“120/80 mmHg”）；

  • 蓝牙传输：将血压数据发送至手机APP。

2. 血压算法（示波法）

核心步骤：

  • 信号预处理：对采集的压力信号进行IIR低通滤波（截止频率5Hz），去除高频噪声；

  • 脉搏波提取：通过移动平均法提取脉搏波的包络（即脉搏波的峰值序列）；

  • 特征点检测：

    • 平均压（MAP）：脉搏波包络的最大值对应的袖带压力；

    • 收缩压（SP）：采用斜率差法（或FAN算法），找到脉搏波包络左侧（收缩压侧）的最平缓点；

    • 舒张压（DP）：采用脉搏降幅百分比法，找到脉搏波包络右侧（舒张压侧）的幅度下降最快点；

  • 结果校准：根据传感器校准参数，补偿温度漂移和线性误差。

代码实现（简化版）：

// 定义血压数据结构typedefstruct{floatsystolic;// 收缩压（mmHg）floatdiastolic;// 舒张压（mmHg）floatpulse_rate;// 脉搏率（次/分钟）}BloodPressure;// 示波法血压算法BloodPressureoscillometric_algorithm(float*pressure_signal,intsignal_length){BloodPressure bp;floatmax_amplitude=0.0f;intmax_index=0;intmap_index=0;intsp_index=0;intdp_index=0;// 1. 提取脉搏波包络（移动平均法）floatenvelope[signal_length];for(inti=0;i<signal_length;i++){envelope[i]=moving_average(pressure_signal,i,5);// 5点移动平均if(envelope[i]>max_amplitude){max_amplitude=envelope[i];max_index=i;}}// 2. 计算平均压（MAP）map_index=max_index;bp.systolic=envelope[map_index];// 3. 计算收缩压（SP）：斜率差法floatmin_slope_diff=1000.0f;for(inti=0;i<map_index;i++){floatslope_diff=calculate_slope_diff(envelope,i,map_index);if(slope_diff<min_slope_diff){min_slope_diff=slope_diff;sp_index=i;}}bp.diastolic=envelope[sp_index];// 4. 计算舒张压（DP）：脉搏降幅百分比法floatmax_drop_percent=0.0f;for(inti=map_index;i<signal_length;i++){floatdrop_percent=(envelope[i]-envelope[i+1])/envelope[i]*100;if(drop_percent>max_drop_percent){max_drop_percent=drop_percent;dp_index=i;}}bp.pulse_rate=calculate_pulse_rate(envelope,signal_length);returnbp;}// 移动平均函数floatmoving_average(float*signal,intindex,intwindow_size){floatsum=0.0f;inthalf_window=window_size/2;for(inti=index-half_window;i<=index+half_window;i++){if(i>=0&&i<signal_length){sum+=signal[i];}}returnsum/window_size;}// 斜率差计算函数floatcalculate_slope_diff(float*envelope,intstart,intend){floatslope=(envelope[end]-envelope[start])/(end-start);floatdiff_sum=0.0f;for(inti=start;i<end;i++){floatcurrent_slope=(envelope[i+1]-envelope[i]);diff_sum+=fabs(current_slope-slope);}returndiff_sum/(end-start);}// 脉搏率计算函数floatcalculate_pulse_rate(float*envelope,intsignal_length){intpulse_count=0;for(inti=1;i<signal_length;i++){if(envelope[i]>envelope[i-1]&&envelope[i]>envelope[i+1]){pulse_count++;}}return(pulse_count/(signal_length/100))*60;// 100Hz采样率，转换为次/分钟}

设计要点：

  • 脉搏波包络提取需采用移动平均法或形态学滤波（如膨胀、腐蚀），确保包络平滑；

  • 特征点检测需采用斜率差法（收缩压）和脉搏降幅百分比法（舒张压），提高准确性；

  • 算法需通过临床测试（与医用血压计对比），调整参数（如移动平均窗口大小、斜率差阈值）。

3. 通信协议（BLE）

核心协议：BLE GATT（Generic Attribute Profile）。

服务与特征：

  • 服务UUID：0x180D（心率服务）；

  • 特征UUID：0x2A37（心率测量值）；

  • 数据格式：采用IEEE 11073-20601标准，包含收缩压、舒张压、脉搏率等信息。

    代码实现（简化版）：

// BLE模块初始化voidble_init(){// 配置UART波特率为9600bpsuart_init(9600);// 发送BLE模块初始化命令uart_send("AT+INIT\r\n");// 等待模块响应while(uart_receive()!="OK");// 配置GATT服务和特征uart_send("AT+GATTADDCHAR=0x180D,0x2A37,0x10,0x01\r\n");// 等待模块响应while(uart_receive()!="OK");}// 发送血压数据voidble_send_data(BloodPressure*bp){// 格式化数据为IEEE 11073-20601格式uint8_tdata[8];data[0]=0x00;// flags（无时间戳）data[1]=(uint8_t)(bp->systolic/10);// 收缩压（整数部分）data[2]=(uint8_t)((bp->systolic-data[1]*10)*10);// 收缩压（小数部分）data[3]=(uint8_t)(bp->diastolic/10);// 舒张压（整数部分）data[4]=(uint8_t)((bp->diastolic-data[3]*10)*10);// 舒张压（小数部分）data[5]=(uint8_t)(bp->pulse_rate/10);// 脉搏率（整数部分）data[6]=(uint8_t)((bp->pulse_rate-data[5]*10)*10);// 脉搏率（小数部分）data[7]=0x00;// 保留// 发送数据uart_send("AT+CHARWRITE=0x2A37,");for(inti=0;i<8;i++){uart_send_int(data[i]);uart_send(",");}uart_send("\r\n");}

设计要点：

  • BLE模块需与支持IEEE 11073-20601标准的手机APP配对（如Nordic Semiconductor的nRF Connect）；

  • 数据传输需采用CRC校验（如CRC16），确保数据完整性。

http://www.jsqmd.com/news/449609/

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