Ein elektronischer Schaltkreis für ein Blutdruckmessgerät

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Analoges Frontend und Wahl des Mikrocontrollers

Der Instrumentenverstärker (INA) in Bild 1 bereitet das Analogsignal des Luftdrucksensors auf. Die allgemeine INA-Verstärkung beträgt 101 V/V. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird in zwei Pfade aufgeteilt. Ein Pfad für den Manschettendruck wird mit dem ADC1-Kanal der MCU verbunden. Der andere Pfad führt durch einen zweipoligen aktiven Hochpassfilter, der die Grenzfrequenzen 0,48 und 4,8 Hz sowie eine Verstärkung von 92 aufweist. Der Hochpassfilter ist über einen MCU-internen Operationsverstärker realisiert. Der Ausgang des Hochpassfilters stellt das Oszillationssignal dar und wird an den ADC2-Kanal des MCU weitergeleitet.

Die MCU enthält einen 12-Bit Highspeed-Pipeline-ADC. Manschettendrucksignal und Oszillationssignal werden mit 250 Hz durch den 12-Bit-ADC abgetastet. Dieses Demosystem, das für Evaluierungs- und Entwicklungszwecke und nicht für den medizinischen Einsatz konzipiert wurde, verwendet einen der MCU-internen Operationsverstärker, um den analogen Hochpassfilter bereitzustellen. Auch ein interner 10-Bit-DAC mit gepufferter Ausgangsspannung kommt zum Einsatz, um einen einstellbaren DC-Offset als Vorspannung (Bias) für den Operationsverstärker zur Verfügung zu stellen.

Der Luftdrucksensor erfordert einen stabilen Versorgungsstrom von 100 µA DC, der über die CTMU (Charge Time Measurement Unit) des Mikrocontrollers bereitsteht. Die Demo verwendet das PWM-Modul (Pulsweitenmodulation) der MCU, um den Druckluft-Pumpenmotor für schnelle oder langsame Drehzahl anzusteuern. Die von einem laufenden Motor erzeugten Störungen können die Druckmessung während des Aufpumpens beeinträchtigen. Schaltkreisdesign und Leiterplatte sind so ausgelegt, dass Störungen seitens des Motors verringert werden.

Die Ergebnisse für den Blutdruck und die Pulsfrequenz können an ein LCD-Panel, einen USB-Port oder eine Funkschnittstelle weitergeleitet werden. Die MCU verfügt über einen integrierten LCD-Controller. Datenkommunikation sowie die 5V-Hauptstromversorgung dieser Demo laufen über die USB-On-The-Go-Schnittstelle des Mikrocontrollers. Für drahtlose Kommunikation wird der SPI- oder UART-Port an ein Microchip RN42-Bluetooth-Modul oder ein RN171-WiFi-Modul angeschlossen.

Eine Echtzeituhr wird auf dem LCD-Panel angezeigt, indem das RTC- und Kalendermodul der MCU verwendet wird, das im Deep-Sleep-Modus lauffähig ist. Die Hauptstromversorgung erfolgt über vier 1,5V-AAA-Alkaline-Batterien oder über die USB-VBus-Leitung. Der MCP1802 LDO wandelt 5 oder 6 V Eingangsspannung in 3,3 V VDD um. Ein 2-Wege-Filter mit gleitendem Mittelwert und einer Grenzfrequenz von 3,5 Hz ist in die Firmware implementiert und filtert die ADC-Rohabtastungen, die von jedem ADC-Kanal erfasst werden.

* Zhang Feng ist Senior Medical Applications Engineer in der Medical Products Group bei Microchip Technology.

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