基于AFE4490的脈搏血氧儀的設計

杜武松

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714214

摘要：以AFE4490集成模擬前端為信號處理，以STM32F103單片機為核心，在液晶屏顯示測量結果，通過GPRS模塊將數據上傳網絡，醫生和家人可隨時通過網絡了解測試者的血氧參數情況。

關鍵詞：AFE4490；STM32；GPRS；脈搏血氧儀

一、概述

生命的基本過程就是機體細胞攝入氧排出二氧化碳產生能量的過程，當組織得不到充足的氧，組織的代謝、機能、甚至形態結構都可能發生異常。脈搏血氧儀是一種無創的，可連續監測人體內動脈血氧飽和度的測量儀器，隨著人們對健康的日益關注，脈搏血氧儀產品逐步進入家庭。

二、脈搏血氧儀的測量原理

人體的血氧飽和度測量使用光電容積脈搏波描記法，是一種利用皮膚對光的反射或者透射來評價血液含氧量等有關信息的方法。人體脈搏血氧飽和度測量是以朗伯比爾定律和血液中氧合血紅蛋白（HbO2）及非氧合血紅蛋白（Hb）對紅光和紅外光吸收特性差異為基礎，使用兩種不同波長的紅光和紅外光照射到人體組織上，入射光由于受到皮膚肌肉和血液的吸收而衰減，出射光強度則會減弱，通過測量光線的變化來計算出脈搏血氧飽和度（SPO2）。

脈搏血氧飽和度的計算公式如下：

SPO2 =ABR+CR2，

式中，A、B、C為定標常數，可以由定標試驗獲得，R為兩種波長的光吸收比率，R = Vredac/VreddcViredac/Vireddc，其中，Vredac為紅光交流分量；Vreddc為紅光的直流分量；Viredac為紅光交流分量；Vireddc為紅光的直流分量。設計中選用660nm紅光和940nm紅外光，因為在此波長組合處，氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收差別較大。

三、硬件設計

本文硬件電路使用血氧模擬前端AFE4490和單片機STM32F103搭建，通過測量人體血氧飽和度，來計算獲得心率與血氧數據，在液晶屏上進行顯示，并將數據上傳至網絡，數據便可遠程查看。

多數設計對光電信號的調制和采集均使用分立元件來實現，此設計難度較大，并且測量過程中易受外界干擾，因此本設計選用AFE4490方案。該方案是TI公司設計的一款適用臨床需求的動脈血氧飽和度測量的全集成模擬前端，能夠很好的實現光電信號的調制及采集，大大降低了硬件和軟件設計難度，并且縮小了系統體積，提高了系統的穩定性。AFE4490血氧模擬前端芯片包含一個具有22位模數轉換器的低噪聲接收通道、一個驅動LED燈發光部分和針對傳感器以及LED故障檢測的診斷功能。AFE4490通過SPI接口與單片機STM32F103進行通訊，能夠快速、準確地接收指令和發送數據。STM32F103通過計算到心率和血氧數據后，定時的通過GPRS模塊Air200進行數據的上傳，上傳的數據保存在網絡服務器中，測試者的醫生和家人即可通過智能終端，例如電腦，手機等即可獲取到測試者的心率和血氧數據實時和歷史數據，及時的了解測試者的血氧飽和度、脈率參數情況。

四、軟件設計

在軟件設計方面，基于C語言設計，首先需要完成各個功能模塊的上電初始化，例如AFE4490初始化，SPI接口初始化，STM32定時器、SPI接口等等初始化，Air200初始化等等。完成以上各步初始化后，通過模擬前端AFE4490采集紅光透射光、紅外光透射光信號數據，完成一次脈搏周期數據采集后，通過置高ADC_RDY信號，告之STM32主控芯片本次脈搏周期數據采集完畢，可以進行數據的讀取。STM32核心接收到數據后，進行數據處理，得到原始的脈搏波信號，并且進行帶通濾波器濾波去噪，得到平滑的二級波形，再對該二級波形進行波峰值、波谷值的檢測，得到光線的直流交流分量后進而計算出R值，再將R值代入到定標曲線公式中得到血氧飽和度。由于使用了AFE4490集成模擬前端，復雜的信號采集和控制均可通過操作其寄存器進行，大大簡化了軟件設計要求，縮短了產品的設計時間。

脈率計算可通過紅外光的光波信號來進行，首先計算波峰和波谷的幅度值，與預設閾值進行比較，若是超過閾值即表示當前為正常測量，通過統計3個脈搏周期的波峰與波峰的采樣點數，再根據采樣速率（100Hz）計算出當前的脈率值，同時當前計算的血氧飽和度數值也有效；若是沒有達到閾值，則直接判定當前測量數據存在錯誤，不再計算脈率值。得到血氧飽和度和脈率數值后，固定每一秒鐘更新液晶屏幕上的血氧飽和度和脈率數值，同時也通過GPRS模塊Air200將數據上傳至網絡服務器進行存儲，以便醫生或者家人遠程查看。

五、結語

從無創血氧測量快速搭建電路、精確測量方面考慮，使用了模擬前端AFE4490加STM32的設計方案，通過產品的設計和研發，取得了不錯的效果。目前健康監護產品正朝著便攜化和小型化發展，穿戴式的產品更是日新月異，所以模擬前端AFE4490的設計方案將有著很高的實用價值以及廣闊的發展前景。

參考文獻：

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