【成功案例】USB桥接芯片CP2102N简便升级电子血压计通信功能，实现血压可视化精准测量

时间： 2018-12-23 来源：世强

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CP2102N可简便升级现有电子血压计的通信功能，可借助PC端实现血压可视化精准测量，而且能通过更复杂的算法评价患者的生理指标，让电子血压计有质的飞跃。本文就CP2102N在电子血压计产品的应用方法进行介绍。

图1 电子血压计原理框图

电子血压计一般由气压传感器、CPU控制单元、气路元件、人机接口和电源系统组成。其中，充气气泵用于模拟水银血压计的充气球对袖带充气。线性排气阀用于实现袖带匀速放气。气压传感器在袖带放气过程中连续检测袖带中的气压，气压数据由CPU采集后分离其中的低频分量（LF）和高频分量（HF），经过一定算法处理后得出收缩压（SBP）和舒张压（DBP）的具体值，同时通过统计算法得出测量器件的脉率（PR）。综上所述，一般的示波法血压计只能输出收缩压、舒张压和脉率三个参数，而且示波法原理的血压计和公认的血压金标准柯氏音法的测量结果存在较大的差异，不能作为诊疗依据。

为了提高血压数据的分析质量，笔者在原有电子血压计产品的设计上增加了CP2102N，并为产品设置了USB接口，通过USB数据线连接至PC机。在CP2102N的CMOS信号部分我们用到了耐压高达5.0kV的双向磁隔离芯片 Si8421AD-B-IS（通过UL,CSA, VDE安规认证）用于UART接口隔离防护，还用到了耐压5.3kV的TLP521（ISOCOM厂牌通过UL安规认证）光耦实现了状态接口的隔离防护，这对于符合国家强制标准GB 9706.1 -2007《医用电气设备第1部分：安全通用要求》第三篇章的相关安全要求是非常必要的设计。在CP2102N的USB总线部分，我们用到了200mA的PPTC自恢复保险和USBLC6-2P6用于对USB侧进行ESD和过流防护。血压信号处理部分不再赘述，CP2102N单元的应用电路图如下：

图2 CP2102N应用原理

由上图可见，CP2102N在应用中需要的外围器件非常少，仅需要电源退耦电容和复位电阻即可工作，完全不需要USB总线匹配识别电路、晶振和LDO等器件。因为CP2102N将这些都完整的集成在一个芯片中。其内部时钟高达48MHz，因此最大波特率能够达到3Mbps，内置的3.3V LDO具有高达100mA的输出能力，自给自足外还可以为隔离芯片等其它外设提供电源。在血压计产品中，我们利用CP2102N的Suspend信号用于检测血压计的USB的接口状态，如果USB正常接入计算机并且软件正确打开串口时，Suspend才会输出高电平驱动光耦导通。MCU利用此信号可实现仅在需要时开启相应的通信功能，而不必一直开启中断或查询守候。CP2102N的TXD与RXD信号经过磁隔离芯片 Si8421AD-B-IS后接入单片机，至此，我们已经可以很方便的将电子血压计的数据传输至PC机。

我们在专用分析软件中，可方便的查看血压计的工作波形。同时，利用PC机强大的运算能力，我们除收缩压、舒张压和脉率三个参数之外，还可以识别分析早搏、心率不齐等心脏病等初期症状。随着研究的深入，我相信还会从数据中挖掘出更有意义的人体生理指标特征信息，在现阶段，这些复杂的算法是一般的嵌入式方案很难实现的。让电子血压计借力PC机甚至云+AI的运算技术才能具备更强大的市场竞争力。

我们选用CP2102N原因如下：

1. 无晶振设计，无论从BOM成本还是工作稳定性都具有明显优势；

2. 可选QFN20 QFN24 QFN28超小封装，尺寸仅3x3mm 4x4mm 5x5mm；

3. 波特率高达3Mbps，完全能够满足电子血压计的多个通道数据传输；

4. 提供USB工作状态指示，便于实现设备端对USB接入主机识别检测；

5. VCP驱动程序工作可靠，兼容性非常好，即使是最新的Windows1064bit操作系统也能够自动安装驱动程序并正常工作，极大的方便了软件部署和安装，用户体验也得到了保障。

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