盧再進(jìn) 顏 聰 王英志 蔣克層 亓統(tǒng)帥

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

0 引言

現(xiàn)有的無創(chuàng)傷脈搏血氧儀對光電信號的發(fā)生與采集大多數(shù)應(yīng)用分立元件來設(shè)計，造成設(shè)計難度加大、測量過程中受外界干擾難以控制。 本設(shè)計選用TI 公司的專用集成模擬前端AFE4400 來設(shè)計脈搏血氧儀，在實現(xiàn)功能的同時，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)對光的吸收特性不同為基礎(chǔ)的。 通過兩種不同波長的紅光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。組織中的其他成分吸收光信號是恒定的，經(jīng)過光電接收器后得到直流分量DC，而動脈血中的HbO2 和Hb 對光信號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 對同一種光線的吸收率各不相同，通過測量紅光和紅外光的光吸收比率便可以計算出兩種血紅蛋白含量的百分比。 血氧飽和度的計算公式如下：

式中，A、B、C 為定標(biāo)常數(shù)，可以由定標(biāo)實驗得到，兩個波長的光吸收比率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

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 鐘72M，最高速度90DMIPS；

（2）64K 字節(jié) 可編程Flash 存儲器；

（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

整個系統(tǒng)涉及模擬信號與數(shù)字信號的相關(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

OLED 顯示單元采用集成驅(qū)動IC (SSD1306) 驅(qū)動128*64 個像素點(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)計采用TI 公司AFE4400 集成模擬前端采集、處理信號以及模擬數(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LED 傳輸不見和針對傳感器以及LED 故障檢測的診斷功能。 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

主程序初始化完成后，AFE4400 一直轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)， 定時器溢出開始更新數(shù)據(jù)。 由于集成模擬前端把復(fù)雜的時序驅(qū)動全都處理了，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 引腳會拉高，表示本次轉(zhuǎn)換完成。 讀取到的AD 值包含兩個結(jié)果，用于計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。

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

3 脈搏血氧應(yīng)用實例

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)工作很長時間，使得產(chǎn)品空間進(jìn)一步縮小，更加方便快捷。實時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)計采用的STM32 結(jié)合AFE4400 的方案設(shè)計的脈搏血氧儀，測量精度高，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)一步減小了測量誤差。STM32 適合做這類小數(shù)據(jù)量的數(shù)字信號處理，AFE4400 專用脈搏血氧儀的集成芯片AFE4400 使設(shè)計提供集成度，降低設(shè)計難度等。

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

［2］江浩,蔡光卉,胡耀航,等.基于高精度∑-ΔADC 的血氧飽和度檢測研究[J].電子測量技術(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量儀的研制[J].測控技術(shù),2011,30(6):1-4.