基于STM32的脈搏血氧儀設計

盧再進 顏 聰 王英志 蔣克層 亓統帥

（長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春130022）

0 引言

現有的無創傷脈搏血氧儀對光電信號的發生與采集大多數應用分立元件來設計，造成設計難度加大、測量過程中受外界干擾難以控制。 本設計選用TI 公司的專用集成模擬前端AFE4400 來設計脈搏血氧儀，在實現功能的同時，減小了系統的體積，提高了系統的穩定性。

無創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 分別照射組織經反射（或者透射）后再由光電接收器轉換成電信號。組織中的其他成分吸收光信號是恒定的，經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 為定標常數，可以由定標實驗得到，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 硬件設計

根據脈搏血氧儀的原理，選用STM32單片機為處理核心， 經過AFE4400 的處理， 計算后獲得心率與血氧數據，在OLED12864 上顯示。具體的系統框圖如圖1 所示。

1.1 單片機選擇

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

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

（2）64K 字節 可編程Flash 存儲器；

（3）20K 字節SRAM；

（4）兩線串行調試接口；

（5）SPI、UART、DMA、TIMER 等豐富的外設資源。

1.2 電源電路

整個系統涉及模擬信號與數字信號的相關處理，模擬電路與數字電路分別采用ASM1117-3.3 線性穩壓器供電，供電電路如圖2 所示。

圖2 系統供電電路

1.3 OLED12864 接口設計

OLED 顯示單元采用集成驅動IC (SSD1306) 驅動128*64 個像素點。 OLED 技術采用自主發光，屏幕可視角度大，節能效果非常明顯，適合低功耗開發。

1.4 AFE4400 接口電路

本設計采用TI 公司AFE4400 集成模擬前端采集、處理信號以及模擬數字轉換等相關功能。AFE4400 集成模數轉換器（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 系統程序流程圖

2 軟件設計

主程序初始化完成后，AFE4400 一直轉換數據， 定時器溢出開始更新數據。 由于集成模擬前端把復雜的時序驅動全都處理了，主控芯片只需要接受數據就好。 在AFE4400 轉換結束，ADC_RDY 引腳會拉高，表示本次轉換完成。 讀取到的AD 值包含兩個結果，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。 根據直流的值可以適當調節光源的電流以達到自適應。 系統程序流程圖如圖4 所示。

脈搏的計算只依賴紅外光的光波信號，通過3 個技術周期的采樣點的個數來計算脈搏。 在所有采樣點的數據中，做一個類似模擬遲滯比較器。經過遲滯比較器，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換為測量脈搏信號的頻率，有定時器周期查詢信號狀態并完成查詢次數計數，這樣就完成了脈搏測量。

3 脈搏血氧應用實例

目前，脈搏血氧儀的應用十分廣泛，尤其是在臨床監控方面。市場所開發的適用于家庭醫療的脈搏血氧儀內置鋰電池，一次充電可連續工作很長時間，使得產品空間進一步縮小，更加方便快捷。實時波形顯示以及上位機的通信使脈搏血氧儀的功能越來越強大。

4 總結

本設計采用的STM32 結合AFE4400 的方案設計的脈搏血氧儀，測量精度高，體積小，適合隨聲攜帶，OLED 的顯示反應出人體生理參數信息。軟硬件的結合，進一步減小了測量誤差。STM32 適合做這類小數據量的數字信號處理，AFE4400 專用脈搏血氧儀的集成芯片AFE4400 使設計提供集成度，降低設計難度等。

［1］李曉鵬,宋愛國,彭思,等.脈搏血氧飽和度遠程實時監護系統設計[J].傳感技術學報,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,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,2011,30(6):1-4.