一、概述

血氧儀是一種監(jiān)測(cè)人體血氧含量的儀器，采用無(wú)創(chuàng)式紅外測(cè)量技術(shù)。通常通過(guò)測(cè)量手指、耳朵等部位檢測(cè)，主要的測(cè)試指標(biāo)為脈率、血氧飽和度及灌注指數(shù)。

二、血氧檢測(cè)原理

在人體正常血液中存在四種血紅蛋白：氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（Hb）、碳氧血紅蛋白（CoHb）、高鐵血紅蛋白（MetHb）。其中還原血紅蛋白與氧氣做可逆性結(jié)合，碳氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白與氧氣不結(jié)合。血氧飽和度指的是血液中氧合血紅蛋白容量占可結(jié)合氧氣的血紅蛋白容量的百分比。因此，血氧飽和度的計(jì)算公式如下：

其中CHbO2、CHb分別表示血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度，SaO2表示血氧飽和度。

血氧儀的測(cè)量原理是根據(jù)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在可見(jiàn)紅光和不可見(jiàn)紅外光的吸收光譜特性為依據(jù)。如下圖1所示，氧合血紅蛋白對(duì)這兩種波長(zhǎng)的吸收率與還原血紅蛋白差別很大，利用這一特性可以測(cè)量計(jì)算出血氧飽和度。

圖1 Hb和HbO2的吸收光譜

血氧探頭是由兩只發(fā)光管和一只電光管組成。其中一只發(fā)光管發(fā)出波長(zhǎng)為660nm的可見(jiàn)紅光，另外一只發(fā)光管發(fā)出波長(zhǎng)為920nm~950nm之間的不可見(jiàn)紅外光。按照所使用的傳感器采樣方式的不同，可以分為透射式和反射式兩種，如下圖2所示。

圖2?透射式和反射式血氧傳感器

如下圖3所示，采用了H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED，一個(gè)為可見(jiàn)紅光LED，另一個(gè)為不可見(jiàn)紅外光LED。P20和P21分別是SoC芯片的通用I/O端口，按一定間隔時(shí)間交替輸出驅(qū)動(dòng)兩路LED交替發(fā)光。運(yùn)算放大器OPA控制通過(guò)LED的電流，改變DAO2電壓從而控制其光輸出強(qiáng)度。光電二極管接收到的光信號(hào)后轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)被運(yùn)算放大器OPB轉(zhuǎn)換成一個(gè)可供處理的電壓信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成用于識(shí)別的電壓信號(hào)，再通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，成為SoC能夠處理的數(shù)字信號(hào)。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換

三、基于SD93F112?的血氧儀應(yīng)用開(kāi)發(fā)方案

本文將重點(diǎn)介紹基于晶華微SD93F112芯片的血氧儀應(yīng)用。如圖4所示，SD93F112芯片資源豐富，具有8bits DAC產(chǎn)生不同電壓；2個(gè)OP作電流電壓轉(zhuǎn)換；13通道高精度ADC能準(zhǔn)確測(cè)量出電流信號(hào)；自帶LCD驅(qū)動(dòng)不需要專門(mén)的LCD驅(qū)動(dòng)芯片便可實(shí)現(xiàn)血氧儀的顯示；可分頻的正弦波發(fā)生器；自帶電壓檢測(cè)，不需要低壓檢測(cè)芯片便可實(shí)現(xiàn)電池電量檢測(cè)功能，并且檢測(cè)電壓2.0~5.3V可調(diào)整；有56k Bytes Flash存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，并且有額外1k Bytes的用戶數(shù)據(jù)區(qū)，不需要外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器便可實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，非常契合血氧儀的方案。硬件方面，只需要很少的外圍元器件就可以實(shí)現(xiàn)血氧儀應(yīng)用方案。軟件方面，SD93F112芯片可使用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)還提供完整的SDK和庫(kù)函數(shù)，方便軟件工程師開(kāi)發(fā)，并且有強(qiáng)大的技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持，有效降低產(chǎn)品研發(fā)門(mén)檻，可大大縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。

圖4?血氧儀方案框圖

四、基于SD93F112的血氧儀原理圖

圖5?基于SD93F112的血氧儀原理圖

五、SD93F112芯片性能特點(diǎn)

SD93F112是由杭州晶華微推出的帶有豐富外圍資源的32位SoC芯片，主要應(yīng)用于血壓計(jì)、脂肪秤、血糖儀、血氧儀、紅外測(cè)溫等領(lǐng)域，有以下特點(diǎn)：

ADC

高精度ADC，ENOB = 18.2bits@8sps (Gain = 256)，4個(gè)差分通道或者8個(gè)單端通道。

低噪聲高輸入阻抗前置放大器，1、4、8、16、32、64、128和256倍增益可選，帶offset校正功能。

存儲(chǔ)器

56k Bytes Flash，8k Bytes Boot，4k Bytes SRAM。

系統(tǒng)時(shí)鐘

內(nèi)置16MHz高頻RC振蕩器和32kHz低頻RC振蕩器，并且支持8~16MHz晶體振蕩器做系統(tǒng)時(shí)鐘。

LCD驅(qū)動(dòng)

帶LCD驅(qū)動(dòng)模塊，支持4COM x 22SEG、6COM x 20SEG和8COM x 18SEG三種驅(qū)動(dòng)模式；具有超低功耗和大驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)，內(nèi)含程控升壓模塊，可以在低壓條件下維持高亮顯示；驅(qū)動(dòng)電壓可選，2.7~5.2V。

正弦波發(fā)生器

內(nèi)置正弦波發(fā)生器，輸出頻率可選：5kHz、50kHz、100kHz、200kHz，支持八電極BIA測(cè)脂。

電源管理系統(tǒng)

內(nèi)置低壓檢測(cè)電路，包括一個(gè)8bits DAC和一個(gè)rail to rail?輸入的比較器，以實(shí)現(xiàn)靈活的電池檢測(cè)和觸摸按鍵檢測(cè)等功能。電壓檢測(cè)范圍2.0~5.3V。

內(nèi)置傳感器激勵(lì)輸出，輸出電壓可選，2.4~4.5V，步長(zhǎng)為0.3V。

通信

內(nèi)置UART通信接口，待機(jī)時(shí)RXD下降沿自動(dòng)喚醒MCU。

內(nèi)置1路I2C通信接口。

溫度傳感器

內(nèi)置硅溫度傳感器，可以單點(diǎn)校正，支持自動(dòng)正反測(cè)。

低功耗

典型工作電流：400A/MIPS@3.3V，休眠電流3A，待機(jī)狀態(tài)下加RTC低于6A。

六、結(jié)論

本文介紹的SD93F112型號(hào)SoC，充分利用其豐富的內(nèi)置硬件資源，可節(jié)省血氧儀大部分外圍元器件，與其他通用SoC相比成本降低，充分利用芯片的低功耗模式，即使使用普通3V電壓的電池，也能正常工作較長(zhǎng)的時(shí)間。

審核編輯：符乾江