盧再進(jìn) 顏 聰 王英志 蔣克層 亓統(tǒng)帥

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022）

0 引言

現(xiàn)有的無創(chuàng)傷脈搏血氧儀對(duì)光電信號(hào)的發(fā)生與采集大多數(shù)應(yīng)用分立元件來設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)難度加大、測(cè)量過程中受外界干擾難以控制。 本設(shè)計(jì)選用TI 公司的專用集成模擬前端AFE4400 來設(shè)計(jì)脈搏血氧儀，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，減小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

無創(chuàng)脈搏血氧飽和度測(cè)量是以朗伯-比爾定律和血液中還原血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)對(duì)光的吸收特性不同為基礎(chǔ)的。 通過兩種不同波長(zhǎng)的紅光600～700nm 和紅外光800～1000nm 分別照射組織經(jīng)反射（或者透射）后再由光電接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。組織中的其他成分吸收光信號(hào)是恒定的，經(jīng)過光電接收器后得到直流分量DC，而動(dòng)脈血中的HbO2 和Hb 對(duì)光信號(hào)的吸收是隨著心跳作周期性變化，經(jīng)過光電接收器后得到交流分量AC，由于HbO2 和Hb 對(duì)同一種光線的吸收率各不相同，通過測(cè)量紅光和紅外光的光吸收比率便可以計(jì)算出兩種血紅蛋白含量的百分比。 血氧飽和度的計(jì)算公式如下：

式中，A、B、C 為定標(biāo)常數(shù)，可以由定標(biāo)實(shí)驗(yàn)得到，兩個(gè)波長(zhǎng)的光吸收比率R 為：

其中，Vredac 為紅光的交流分量；Vreddc 為紅光的直流分量；Viredac 為紅外光的交流分量；Vireddc 為紅外光的直流分量。

1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)脈搏血氧儀的原理，選用STM32單片機(jī)為處理核心， 經(jīng)過AFE4400 的處理， 計(jì)算后獲得心率與血氧數(shù)據(jù)，在OLED12864 上顯示。具體的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.1 單片機(jī)選擇

STM32F103C8T6 是意法半導(dǎo)體公司ARM CortexTM-M3 核的32位單片機(jī)，它具有如下特點(diǎn)。

（1）ARM 32 位ARM CortexTM-M3 內(nèi) 核 處 理 器， 最 高 系 統(tǒng) 時(shí) 鐘72M，最高速度90DMIPS；

（2）64K 字節(jié) 可編程Flash 存儲(chǔ)器；

（3）20K 字節(jié)SRAM；

（4）兩線串行調(diào)試接口；

（5）SPI、UART、DMA、TIMER 等豐富的外設(shè)資源。

1.2 電源電路

整個(gè)系統(tǒng)涉及模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的相關(guān)處理，模擬電路與數(shù)字電路分別采用ASM1117-3.3 線性穩(wěn)壓器供電，供電電路如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)供電電路

1.3 OLED12864 接口設(shè)計(jì)

OLED 顯示單元采用集成驅(qū)動(dòng)IC (SSD1306) 驅(qū)動(dòng)128*64 個(gè)像素點(diǎn)。 OLED 技術(shù)采用自主發(fā)光，屏幕可視角度大，節(jié)能效果非常明顯，適合低功耗開發(fā)。

1.4 AFE4400 接口電路

本設(shè)計(jì)采用TI 公司AFE4400 集成模擬前端采集、處理信號(hào)以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等相關(guān)功能。AFE4400 集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的低噪聲接受器通道、 一個(gè)LED 傳輸不見和針對(duì)傳感器以及LED 故障檢測(cè)的診斷功能。 AFE4400 與單片機(jī)的接口、光電器件的鏈接如圖3 所示。

圖3 AFE4400 接口電路圖

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

主程序初始化完成后，AFE4400 一直轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)， 定時(shí)器溢出開始更新數(shù)據(jù)。 由于集成模擬前端把復(fù)雜的時(shí)序驅(qū)動(dòng)全都處理了，主控芯片只需要接受數(shù)據(jù)就好。 在AFE4400 轉(zhuǎn)換結(jié)束，ADC_RDY 引腳會(huì)拉高，表示本次轉(zhuǎn)換完成。 讀取到的AD 值包含兩個(gè)結(jié)果，用于計(jì)算的是交流部分的值，所以要采用算法跟蹤直流電壓，以此得到交流值。 根據(jù)直流的值可以適當(dāng)調(diào)節(jié)光源的電流以達(dá)到自適應(yīng)。 系統(tǒng)程序流程圖如圖4 所示。

脈搏的計(jì)算只依賴紅外光的光波信號(hào)，通過3 個(gè)技術(shù)周期的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)來計(jì)算脈搏。 在所有采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)中，做一個(gè)類似模擬遲滯比較器。經(jīng)過遲滯比較器，脈搏信號(hào)變成了矩形波型號(hào)，近似測(cè)量相鄰兩個(gè)上升沿的時(shí)間，最后得出脈搏。如果把脈搏信號(hào)看做周期信號(hào)，測(cè)量上升沿的時(shí)間可以轉(zhuǎn)換為測(cè)量脈搏信號(hào)的頻率，有定時(shí)器周期查詢信號(hào)狀態(tài)并完成查詢次數(shù)計(jì)數(shù)，這樣就完成了脈搏測(cè)量。

3 脈搏血氧應(yīng)用實(shí)例

目前，脈搏血氧儀的應(yīng)用十分廣泛，尤其是在臨床監(jiān)控方面。市場(chǎng)所開發(fā)的適用于家庭醫(yī)療的脈搏血氧儀內(nèi)置鋰電池，一次充電可連續(xù)工作很長(zhǎng)時(shí)間，使得產(chǎn)品空間進(jìn)一步縮小，更加方便快捷。實(shí)時(shí)波形顯示以及上位機(jī)的通信使脈搏血氧儀的功能越來越強(qiáng)大。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用的STM32 結(jié)合AFE4400 的方案設(shè)計(jì)的脈搏血氧儀，測(cè)量精度高，體積小，適合隨聲攜帶，OLED 的顯示反應(yīng)出人體生理參數(shù)信息。軟硬件的結(jié)合，進(jìn)一步減小了測(cè)量誤差。STM32 適合做這類小數(shù)據(jù)量的數(shù)字信號(hào)處理，AFE4400 專用脈搏血氧儀的集成芯片AFE4400 使設(shè)計(jì)提供集成度，降低設(shè)計(jì)難度等。

［1］李曉鵬,宋愛國,彭思,等.脈搏血氧飽和度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(6):772-776.

［2］江浩,蔡光卉,胡耀航,等.基于高精度∑-ΔADC 的血氧飽和度檢測(cè)研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(8):110-113.

［3］張亞,趙興群,萬遂人.一種單片便攜式脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的研制[J].測(cè)控技術(shù),2011,30(6):1-4.