基于STM32的脈搏血氧儀設計

盧再進　顏聰（等）

【摘 要】以STM32F103C8T6單片機為核心處理器，以AFE4400集成模擬前端為信號調(diào)理部分，OLED12864顯示測量結果。專用脈搏血氧儀模擬前端芯片的使系統(tǒng)簡化，改善測量精度。

【關鍵詞】STM32；脈博；血氧儀

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(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：

SpO2=A-BR+CR2

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

R=■

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(jù)脈搏血氧儀的原理，選用STM32單片機為處理核心，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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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(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(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)字轉換等相關功能。AFE4400集成模數(shù)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4 系統(tǒng)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(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雜的時序驅動全都處理了，主控芯片只需要接受數(shù)據(jù)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(jù)直流的值可以適當調(diào)節(jié)光源的電流以達到自適應。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個技術周期的采樣點的個數(shù)來計算脈搏。在所有采樣點的數(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 脈搏血氧應用實例

目前，脈搏血氧儀的應用十分廣泛，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(shù)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(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使設計提供集成度，降低設計難度等。

【參考文獻】

[1]李曉鵬，宋愛國，彭思，等.脈搏血氧飽和度遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)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.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】以STM32F103C8T6單片機為核心處理器，以AFE4400集成模擬前端為信號調(diào)理部分，OLED12864顯示測量結果。專用脈搏血氧儀模擬前端芯片的使系統(tǒng)簡化，改善測量精度。

【關鍵詞】STM32；脈博；血氧儀

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(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：

SpO2=A-BR+CR2

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

R=■

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(jù)脈搏血氧儀的原理，選用STM32單片機為處理核心，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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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(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(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)字轉換等相關功能。AFE4400集成模數(shù)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4 系統(tǒng)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(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雜的時序驅動全都處理了，主控芯片只需要接受數(shù)據(jù)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(jù)直流的值可以適當調(diào)節(jié)光源的電流以達到自適應。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個技術周期的采樣點的個數(shù)來計算脈搏。在所有采樣點的數(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 脈搏血氧應用實例

目前，脈搏血氧儀的應用十分廣泛，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(shù)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(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使設計提供集成度，降低設計難度等。

【參考文獻】

[1]李曉鵬，宋愛國，彭思，等.脈搏血氧飽和度遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)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.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】以STM32F103C8T6單片機為核心處理器，以AFE4400集成模擬前端為信號調(diào)理部分，OLED12864顯示測量結果。專用脈搏血氧儀模擬前端芯片的使系統(tǒng)簡化，改善測量精度。

【關鍵詞】STM32；脈博；血氧儀

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(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：

SpO2=A-BR+CR2

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

R=■

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(jù)脈搏血氧儀的原理，選用STM32單片機為處理核心，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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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(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(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)字轉換等相關功能。AFE4400集成模數(shù)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4 系統(tǒng)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(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雜的時序驅動全都處理了，主控芯片只需要接受數(shù)據(jù)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(jù)直流的值可以適當調(diào)節(jié)光源的電流以達到自適應。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個技術周期的采樣點的個數(shù)來計算脈搏。在所有采樣點的數(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 脈搏血氧應用實例

目前，脈搏血氧儀的應用十分廣泛，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(shù)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(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使設計提供集成度，降低設計難度等。

【參考文獻】

[1]李曉鵬，宋愛國，彭思，等.脈搏血氧飽和度遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)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.

[責任編輯：湯靜]