CN101972142A - 一种压力传感器示数方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器示数方法，是一种应用于柱显式电子血压计的压力传感器数字显示方法，通过检测血压计快速充气、慢速放气、静态测量状态，并对静态测量状态进行低通滤波，而对快速充气、慢速放气动态状态则不处理，既能保证测量精度，消除示数抖动，又能提高动态跟随性，不影响柯氏音读数，并且都设计在紧凑的单片机系统内，具有测量精度高、示数稳定、可读性好、成本低等优点。

Description

一种压力传感器示数方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器示数方法，尤其涉及一种兼顾压力传感器静态和动态特性的应用于柱显式电子血压计的压力传感器数字显示方法，属于血压计及血压测量技术领域。

背景技术

血压计是压力计的一种，目前血压测量主要有机械式血压表、水银曲压计、示波法电子血压计、光纤血压计、柱显式血压计等测量器具。示波法电子血压计主要应用于家庭、保健市场，由于其测量精度低、重复性差，作为具有医学诊断指证的医学测量仪器来说，尚无法为广大医疗结构接受；传统的血压测量法为柯氏音法，是在水银血压计和听诊器共同工作的前提下测得的，是目前临床测量血压的金标准，然而汞污染无法消除，对人类环境造成极大的破坏，据统计，目前全球工业用汞的主要存在就是水银血压计，因此国际上也在制定新的标准和法律禁止水银血压计。

我国是全球最大的水银血压计生产国和出口国，汞的生产和提炼也以破坏我国的自然环境为代价，水银血压计价格低、技术水平差、利润低，为顺应国际发展趋势，开发替代产品已是近年来迫切之势。

除了示波法电子血压计，目前还有机械式血压表，缺点是精度低、机械弹性元件容易发生变形和金属疲劳，影响使用寿命，无法提供高精度的、可靠的血压测量；以机械式压力元件为基础而发展起来的还有光纤血压计，工作原理为机械弹性元件牵动LED发光管，点亮代表不同读数的光纤，存在同样的缺陷，且组装工艺复杂、抗震性能差，生产成本高。

另外，美国MIT大学的研究小组近期研究通过测量腕部和指部血压差来测量血压的方法，据称可取得较好的测量预期，但也还处于实验室原型阶段，到真正为临床所接受，还有很长的路要走。以无毒液体替代水银也是不错的想法，但结构复杂、安装调试复杂、测量精度和一致性都存在问题。

因此以压力传感器为核心测压器件，采用液晶、LED光柱等柱显器件显示压力数值，配合听诊器，采用柯氏音法测量血压，目前是较能为临床所接受的方法。

目前，电子血压计是一个成熟的行业，考虑到成本因素，用于柱显式血压计的压力传感器也以选用电子血压计专用的传感器为最佳，这也就存在可用即可的问题，即不选择静态和动态特性特别好的传感器。

另外，本着可用即可的原则，选用于信号处理的单片机的A/D也存在一定的采样误差，因此由压力传感器和单片机A/D之间组成的耦合采样系统，一般情况下，存在一定的误差。

这种误差主要表现在测量数值的示数抖动，具体地说，在外在压力值不发生变化时，压力传感器-单片机A/D耦合采样系统所测得的压力数值会随时间的变化，而发生微小的跳动，从观察者角度看，示数抖动表现为压力读数无法稳定地显示一个值，有时随机地偏差，有时朝一个方向发生偏移，而这些变化都是发生在外在压力值不变的情况下，也即都是测量误差引起的。

示数抖动的问题在其他的电子测量器具也同样存在，例如数字万用表，测量电压时，有效读数的最后一位，有时甚至最后两位，都会发生跳动。显然，示数抖动影响了测量者的读数，给测量引入了不确定性，这样的弊端在数字万用表上并不要紧，因为只需要记录主要的有效数字即可。但是对于血压计这样的测量器具，就需要进行必要的处理。

根据现行GB3053-93《血压计和血压表》规定的示值允许基本误差为±0.5Kpa(±3.75mmHg)，虽然采用柯氏音法测血压，压力的动态特性较静态特性更重要，但是目前我国计量检测部门对血压计的检测仍然列为压力计量器具执行，因此从测量精度、读数稳定性、零点漂移等方面制定了量化指标，而读数稳定性就要求消除示数抖动。

一般情况下，单片机定期进行压力传感器的A/D采样，然后实时显示，对压力采样数值进行低通滤波往往可以达到消除示数抖动问题，另外，减低采样频率，也可以消弱示数抖动问题。但是带来的副作用是动态特性的损失，即压力读数变化迟缓，在血压计快速充气和慢速放气过程中，读数往往大大滞后于实际压力变化值，存在一定的相位差。

因此兼顾静态和动态特性，既要对压力传感器测量精度进行标定，又要消除示数抖动问题，又要在快速充气和慢速放气过程中，实现读数快速跟随的动态特性，而且这些工作都要设计在紧凑的单片机系统内，是设计柱显式血压计必须解决的实际难题。

发明内容

本发明一种压力传感器示数方法，采用兼顾压力传感器静态和动态特性的应用于柱显式电子血压计的压力传感器数字显示方法，具体步骤如下：

(1)开始，每隔200毫秒采样一次A/D；

(2)求与上一次采样值的差；

(3)判断绝对值＞5mmHg？，是(Y)，则处于快速充气或慢速放气状态，直接显示采样值；

(4)否则(N)，处于静态示数状态，采样值压入5点堆栈；

(5)判断堆栈已满？，是(Y)，则移走堆栈顶端，堆栈单元往前移位，采样值追加栈尾；

(6)否则(N)，结束；

(7)5点找出中值，压入滤波器堆栈；

(8)判断堆栈已满？，是(Y)，则移走堆栈顶端，堆栈单元往前移位，新中值追加栈尾；

(9)否则(N)，结束；

(10)滤波器堆栈求平均，平均值为当前示数；

(11)结束。

本发明方法在静态示数时，由于采用了二级无限冲击响应IIR滤波器，第一级滤波器为中值滤波，可以较好滤除非线性随机误差，第二级滤波器为低通滤波，可以较好滤除高频分量，两级滤波器的设计在单片机可以承受的计算能力范围之内，而且在实际应用中也能够达到国家计量检定对于示数稳定性的要求。

另外，由于采用的是5点窗宽的滤波，所以滤波深度不深，采用无限冲击响应IIR滤波器，动态跟随特性较好。

在动态特性上，当快速充气过程中，此时血压计示数并不重要，可以忽略，所以没有必要进行稳定性补偿；而在慢速放气过程中，由于结合听诊测量，因此示数是最重要的。一般情况下，以每秒2mmHg至6mmHg的速率放气是最理想的，因此，通过检测相邻两次采样值的差值的绝对值，可以判断出是否处于快速充气或慢速放气阶段，以此确定是否嵌套去示数抖动算法。经过反复试验，该技术路线取得了良好的静态和动态特性。

附图说明

图1是本发明一种压力传感器示数方法的压力传感器-单片机A/D耦合采样系统结构图；

图2是本发明一种压力传感器示数方法的流程图；

图3是本发明一种压力传感器示数方法的示数抖动示意图；

图4是本发明一种压力传感器示数方法的去抖动曲线示意图；

图5是本发明一种压力传感器示数方法的标定曲线；

图6是本发明一种压力传感器示数方法的快速充气示意图；

图7是本发明一种压力传感器示数方法的慢速放气示意图；

图8是本发明一种压力传感器示数方法的快速充气波形图；

图9是本发明一种压力传感器示数方法的慢速放气波形图；

图10是本发明一种压力传感器示数方法的慢速放气延时示数原理图。

具体实施方式

结合附图，本发明详细说明如下：

如图1所示，压力传感器-单片机A/D耦合采样系统包括：单片机(100)，优选PIC16F84，该芯片自带可扩展为10位的A/D端口(101)，晶振(105)决定了其工作的速度和最高的采样频率，优选4MHz，压力传感器(104)组成电桥(103)，经过运算放大器(102)信号调理之后，送入A/D端口(101)采样。

整个耦合系统，既存在压力传感器(104)的误差，也存在A/D端口(101)的误差，以及电磁干扰、电源波动、参考电位波动等误差，这些误差都会引起最终的示数抖动。

如图2所示，本发明的具体步骤如下：

(1)开始(200)，每隔200毫秒采样一次A/D(201)；

(2)求与上一次采样值的差(202)；

(3)判断绝对值＞5mmHg？(203)，是(Y)，则处于快速充气或慢速放气(204)状态，直接显示采样值(205)；

(4)否则(N)，处于静态示数状态，采样值压入5点堆栈(206)；

(5)判断堆栈已满？(207)，是(Y)，则移走堆栈顶端(208)，堆栈单元往前移位(209)，采样值追加栈尾(210)；

(6)否则(N)，结束(219)；

(7)5点找出中值(211)，压入滤波器堆栈(212)；

(8)判断堆栈已满？(213)，是(Y)，则移走堆栈顶端(214)，堆栈单元往前移位(215)，新中值追加栈尾(216)；

(9)否则(N)，结束(219)；

(10)滤波器堆栈求平均(217)，平均值为当前示数(218)；

(11)结束(219)。

如图3所示，在外在压力值不发生变化的情况下，基准示数(301)为27mmHg，而基准示数上一个数值(300)(28mmHg)、基准示数下一个数值(302)(26mmHg)，在不做示数去抖动处理之前，如果采样频率较高，则会出现同时显示的视觉误差，而如果采样频率较低，则会出现上下跳动的视觉误差，这种误差在一般的压力计量器具是可以容许的，可以认为最后一个有效数字为估计值，而对于血压计来说，由于计量检定标准精度至最后一个有效数字，因此，测量的精度和稳定度至关重要。

如图4所示，原始采样曲线(400)，有一些毛刺和抖动，如果抖动在视觉残差时间内消除，则人眼无法觉察到，否则，就会觉察到示数抖动，如在1秒时间点上，示数为28mmHg；在2秒时间点上，示数为27mmHg；在3秒时间点上，示数为28mmHg；在4秒时间点上，示数为27mmHg；在5秒时间点上，示数为26mmHg；在6秒时间点上，示数为27mmHg；在7秒时间点上，示数为27mmHg。可见存在示数跳动，由观察者觉察到的是示数抖动现象，影响了准确的读数。

经过本发明去抖动处理之后，得到去抖动曲线(401)，可见滤除了尖峰毛刺(3秒时间点)，也平滑了波形，最终示数稳定在27mmHg基准示数上。

如图5所示，鉴于压力传感器-单片机A/D-去抖动三级耦合采样系统，最终的压力传感器标定，需直接针对去抖动示数完成，一般情况下，压力传感器都存在三段特性，即两端非线性区段和中间线性区段，而对于血压计应用来说，＜40mmHg和＞200mmHg区间实际诊断意义不大，因此进行分段标定。

标定曲线中段(500)、标定曲线低段(501)、标定曲线高段(502)三部分分别进行线性回归拟和，依据的是标准压力点(503)和对应的去抖动示数，由于去抖动对于快速大幅变化标定标准气压源也有适应能力，因此并不会因此影响传感器计量检测过程。通过标定的压力传感器反而提高了整体的测压精度。

如图6所示，快速充气时，前一次压力值(600)为27mmHg，而一次充气后，后一次压力值(601)就上升至54mmHg，增加的幅度在短期(＜1秒)内，平均增幅(＞27mmHg/秒)，因此不进行去抖动处理，压力值跟随性好。

如图7所示，慢速放气时，上一次压力值(700)为100mmHg，而下一次压力值(701)为92mmHg，平均降幅(＞8mmHg/秒)，因此不进行去抖动处理，压力值跟随性好。

由于柯氏音血压测量是结合听诊器进行动态读数的，因此良好的动态跟随性是柱显式血压计的最重要的技术要求。

如图8所示，快速充气曲线(800)，在3秒时间内使压力超过180mmHg。

如图9所示，慢速放气曲线(900)，在10秒左右时间内将180mmHg压力慢慢释放完。

如图10所示，由于柯氏音血压测量需要听诊器听音完成，因此在听到收缩压/舒张压时，放气过程仍在进行，因此引起读数滞后，在具体处理时，可以考虑在慢速放气时，压力传感器示数滞后实际采样数值。示数慢速放气曲线(1001)要较实测慢速放气曲线(1000)为滞后。

另外，为了利用现有单片机A/D资源，可以采用过采样技术提高采样精度，同时也可以起到低通采样值的作用。

Claims (3)

1.一种压力传感器示数方法，兼顾压力传感器静态和动态特性的应用于柱显式电子血压计的压力传感器数字显示方法，其主要步骤包括：

(1)每隔200毫秒采样一次A/D；

(2)求与上一次采样值的差；

(3)判断绝对值＞5mmHg？，是(Y)，则处于快速充气或慢速放气状态，直接显示采样值；

(4)否则(N)，处于静态示数状态，采样值压入5点堆栈；

(5)判断堆栈已满？，是(Y)，则移走堆栈顶端，堆栈单元往前移位，采样值追加栈尾；

(6)否则(N)，结束；

(7)5点找出中值，压入滤波器堆栈；

(8)判断堆栈已满？，是(Y)，则移走堆栈顶端，堆栈单元往前移位，新中值追加栈尾；

(9)否则(N)，结束；

(10)滤波器堆栈求平均，平均值为当前示数；

(11)结束。

2.如权利要求1所述的一种压力传感器示数方法，其特征在于：检测血压计快速充气、慢速放气、静态测量状态，并对静态测量状态进行低通滤波，而对快速充气、慢速放气动态状态则不处理，这样既能保证测量精度，消除示数抖动，又能提高动态跟随性，不影响柯氏音读数。

3.如权利要求1所述的一种压力传感器示数方法，其特征在于：压力传感器的标定是对压力传感器-单片机A/D-去抖动三级耦合采样系统进行的。

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