基于平面压力型传感器中心动脉压测量
系统设计
谷林柱，任子晖**
作者简介：谷林柱，（1987-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为：嵌入式系统开发
通信联系人：任子晖，（1962-），中国矿业大学教授，博士生导师，主要从事电网谐波治理，通风机监测，
嵌入式开发研究. E-mail: siee203bcumt@163.com
5 （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
摘要：设计中用压力传感器对人的脉搏信号进行采集，然后对采集的微弱压力信号放大和滤
波，采用ADS7825 进行模数转换。控制部分采用单片机AT89S52 对数据处理，利用MAX232
芯片完成串口通信，并利用VB 设计上位机显示软件,显示所获得的压力波形，以完成对中心
动脉压的计算。
10 关键词：中心动脉压；数据采集；单片机；串口通信
中图分类号：TN710
 0 整体设计流程
25 设计采用压力传感器对中心动脉压力等精密压力进行采集，然后经过放大和滤波电路对
采集的微弱信号进行调理，采用模数转换器对模拟信号进行采集，实现模拟信号到数字信号
的转换[1]。控制部分采用单片机来实现，完成对数模信号的处理，并利用电平转换芯片完成
串口通信，并利用VB 程序编制上位计算机控制程序，实现远程数据采集功能并实时显示采
集的数据和波形，最后完成中心动脉压力的计算[2]。系统工作流程如图1 所示：
30
图1 系统工作流程图
Fig 1 Flow chart of system
 1 系统硬件电路设计
35 1.1 传感器探头设计
根据中心动脉压力等精密压力的采集特点，选用FSG-15N1A，此平面型压力传感测器
以压阻效应为基础，并利用半导体材料作为感测元件，具有紧凑的商业封装、极低的误差、
低线性误差和快速响应等特点，为精密压力传感器的较好选择。传感器探头的设计主要是方
便压力的测量，在临床试验中更实用。
40 1.2 放大电路设计
由于FSG15N1A 压力传感器压阻效应触发的电阻值变化极小，其电压输出约在0.24mV
至0.36V 间之范围内变化，电压值十分微小，且此型压力感测器内部并无搭配放大与滤波电
路之设计，单以如此小之电压信号输出会造成信号处理上的困难，故必须外接放大电路。设
计中选用AD620 仪表放大器来放大传感器信号，第一级为查分放大，第二级放大采用普通
45 的放大[3]，设计电路分别如图2 所示：
图2：信号放大电路
Fig 2 signal amplification circuit
50 AD620 是一个集成仪表放大器，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程。最大放大
增益可达1000 倍，增益计算为如下公式（1）：
G =1+ 49.4KΩ / Rg (1)
式中RG 为AD623 管脚1 和8 之间的电阻，设计中采用滑动变阻器，可根据传感器信
号大小，适当地调节放大倍数，传送至AD 转换芯片。
55 1.3 滤波电路设计
由于传感器没有滤波功能，采集的信号包含频率高低不等的干扰信号，需要对信号进行
滤波。设计中分别采用二阶巴特沃斯高通滤波和低通滤波分别滤除传感器采集信号时产生的
直流和高频干扰信号。
1.3.1 二阶有源低通滤波电路
二阶有源低通滤波电路如图3， 1 R (A 1)R f VF = −
60 。由图可见，它是由两节RC 滤波电
路和同相比例放大器组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。
 图3 二阶有源低通滤波电路
Fig 3 two step active low pass filter circuit
65
低通滤波电路的通带电压增益Ao 是w=0 时输出电压Vo 与输入电压Vi 之比。对于同相
放大器，通带电压增益Ao 等于同相比例放大电路的电压增益AVF，即
1 1 / O VF f A =A = +R R (2)
电路的传递函数为
( ) ( )/ ( ) /[1 (3 ) ( )2] o i VF VF 70 A s =v s v s =A + − A sCR+ sCR (3)
令 1/ cw= RC (4)
1/(3 ) VF Q = − A (5)
则有 ( ) /[ / ] 2 2 2
A s = AVFwc s + wcs Q+ wc (6)
式（6）为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式。
75 1.3.2 二阶有源高通滤波电路
如果将二阶低通滤波电路的R 和C 位置互换，则可得到有源高通滤波电路，如图4 所
示。
图4 二阶高通滤波电路
80 Fig 4 two order high pass filter circuit
由于二阶高通滤波电路与二阶低通滤波电路在电路结构上存在对偶干系，它们的传递函
数也存在对偶关系。由图4 可导出其传递函数为
( ) /[ / ] 2 2 2
A s = AVFs s + wcs Q+ wc （7）
式中w RC c =1/ ， 1/(3 ) VF Q = − A 85 。式（7）为二阶高通滤波电路传递函数的典型表
达式。
1.4 模数转换电路设计
由于传感器采集的模拟电信号不能直接被单片机所读取，这就需要采用采用模数转换芯
 片将模拟信号转换成单片机能处理的数字信号。系统中采用ADS7825 作为模数转换芯[4]。
90 ADS7825 具有4 通道模数转换器,在芯片内部集成了时钟源、参考基准电压等参数,从而减少
了芯片的外围电路的设计。在片选选中的情况下，通过外围逻辑电路对芯片的A0，A1 地址
线进行逻辑控制，选择通道0~通道3[4]。ADS7825 与单片机及传感器信号连接如下图5：
图5 ADS7825 电路
95 Figure 5 ADS7825 circuit
1.5 模数转换电路设计
在串口通信中采用了MAX232 电平转换芯片，将采集来的信号经单片机处理后传送至
上位机，进行运算和进一步处理。MAX232 与单片机及电脑串口连接电路如下图6
100
图6 MAX232 连接电路
Fig 6 the MAX232 connection circuit
2 软件设计
105 2.1 中心动脉压的计算
先用血压计测量肘部的收缩压（SBP）和舒张压（DBP），压差ΔP = SBP − DBP，然
后用本设计测量肘部的压力波形，其Δp' = 波峰值-波谷值=
SBP' − DBP' ，则单位高度的压
力
λ = ΔP / ΔP' 。肘部的舒张压和中心动脉压的舒张压是不变的，且颈部的动脉压接近中心
动脉压，所以用测量颈部动脉压代替中心动脉压的测量。中心动脉压的收缩压等于颈部收缩
压，即SBP = × ΔP + DBP 1 1 λ （其中1 Δp 110 为测量颈部压力波的压差），以此完成中心动脉
压的计算。
2.2 上位机界面设计
本设计采用VB 环境下实现单片机与PC 机之间实现串行通讯[5]，PC 机通讯程序利用
 VB 提供的MsComm 串行通讯控件来完成。MSComm 控件串口具有完善的串口数据的发送
115 和接收功能。通过此控件，PC 机可以利用串行口与其它设备实现轻松连接，简单高效地实
现设备之间的通讯。此控件的事件响应有两种处理方式，事件驱动方式：由MSComm 控件
的OnComm 事件捕获并处理通讯错误及事件；查询方式：通过检查CommEvent 属性的值来
判断事件和错误。程序界面如图7 所示：
120 图7 上位机显示界面
Fig. 7 shows PC interface
3 系统调试及测试结果
3.1 硬件调试
125 对于放大电路，主要是调节AD620 的电位计的阻值，使传感信号放大约100 倍左右，
即mv 量级达到v 量级以便采集数据。在调试过程中，先借助信号发生器和示波器观察信号
输出及滤波效果，高通滤波电路的频率由于比较低，无法观察，对于低通滤波电路当信号大
于15HZ 时，信号严重衰减，满足预期的设定。一级放大可调节电位计调节为2.5K，放大
20 倍，二级放大可调节电位计为8K，放大5 倍左右。前后调节兼顾，达到输出的理想信号
130 输出。
滤波电路中，对于高通滤波器选择电容C=0.1uf，对于人的心率最小为每分钟不高于160
次，所以所测动脉压力的频率应不超过2.7HZ/s，为达到滤波效果现选择= 15 fc ，则根据
公式R =1/(2πfcC) ≈ 106K ，选择电阻为100k。对于低通电容C=1uf，对于人的心率最大
为每分钟高于40 次，所以中心大动脉频率的应大于0.67HZ/s，为达到滤波效果现选择。
135 3.2 测试结果
整个设计调试成功之后，以自己为例，对所设计的进行测试，结果如下：
(1)用血压计测量肘部的血压，连续测量三次求平均值。测量的收缩压(SBP)为108mmHg、
舒张压（DBP）为68mmHg，压差ΔP = SBP − DBP= 40mmHg。
(2)用本设计测量肘部的压力测试如图8(a)所示，其ΔP' = 波峰值-波谷值=30.97，则单位
140 高度的压力λ = ΔP / ΔP' =40/30.97=1.29mmHg。
(3)用本设计测量颈部的压力测试如图8(b)所示，颈部压力波的压差1 ΔP =波峰值-波谷值
= 25.3。
(4)肘部的舒张压和中心动脉压的舒张压是不变的，且颈部的动脉压接近中心动脉压。
 中心动脉压的收缩压等于颈部收缩压，即SBP = × ΔP + DBP 1 1 λ =1.29*25.3+68=101mmHg。
145
图8 (a) 肘部压力测试图 (b)颈部压力测试图
Fig. 8 ( a ) elbow pressure test chart (b ) neck pressure test chart
4 结论
150 本文给出了一种基于平面压力型传感器中心动脉压测量系统的设计，对系统进行测试得
出，设计测量结果基本达到设计目标，其测得参数均在医学正常范围内，具有一定的可靠性。
间隔一段时间再次测量，对应的所测参数差异不是很大，说明本设计具有较好的重复性。
[参考文献] (References)
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[4] 张原峰，高彦.ADS7825 模数转换芯片及其在高速数据采集系统中的应用[J].计算机测量与控制，2002，
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160 [5] 范逸之.Visual Basic 硬件设计与开发——数据采集卡控制[M].北京：清华大学出版社，2004