基于STM32的脉搏血氧仪设计

卢再进 颜 聪 王英志 蒋克层 亓统帅

（长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春130022）

0 引言

现有的无创伤脉搏血氧仪对光电信号的发生与采集大多数应用分立元件来设计，造成设计难度加大、测量过程中受外界干扰难以控制。 本设计选用TI 公司的专用集成模拟前端AFE4400 来设计脉搏血氧仪，在实现功能的同时，减小了系统的体积，提高了系统的稳定性。

无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯-比尔定律和血液中还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)对光的吸收特性不同为基础的。 通过两种不同波长的红光600～700nm 和红外光800～1000nm 分别照射组织经反射（或者透射）后再由光电接收器转换成电信号。组织中的其他成分吸收光信号是恒定的，经过光电接收器后得到直流分量DC，而动脉血中的HbO2 和Hb 对光信号的吸收是随着心跳作周期性变化，经过光电接收器后得到交流分量AC，由于HbO2 和Hb 对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量红光和红外光的光吸收比率便可以计算出两种血红蛋白含量的百分比。 血氧饱和度的计算公式如下：

式中，A、B、C 为定标常数，可以由定标实验得到，两个波长的光吸收比率R 为：

其中，Vredac 为红光的交流分量；Vreddc 为红光的直流分量；Viredac 为红外光的交流分量；Vireddc 为红外光的直流分量。

1 硬件设计

根据脉搏血氧仪的原理，选用STM32单片机为处理核心， 经过AFE4400 的处理， 计算后获得心率与血氧数据，在OLED12864 上显示。具体的系统框图如图1 所示。

1.1 单片机选择

STM32F103C8T6 是意法半导体公司ARM CortexTM-M3 核的32位单片机，它具有如下特点。

（1）ARM 32 位ARM CortexTM-M3 内 核 处 理 器， 最 高 系 统 时 钟72M，最高速度90DMIPS；

（2）64K 字节 可编程Flash 存储器；

（3）20K 字节SRAM；

（4）两线串行调试接口；

（5）SPI、UART、DMA、TIMER 等丰富的外设资源。

1.2 电源电路

整个系统涉及模拟信号与数字信号的相关处理，模拟电路与数字电路分别采用ASM1117-3.3 线性稳压器供电，供电电路如图2 所示。

图2 系统供电电路

1.3 OLED12864 接口设计

OLED 显示单元采用集成驱动IC (SSD1306) 驱动128*64 个像素点。 OLED 技术采用自主发光，屏幕可视角度大，节能效果非常明显，适合低功耗开发。

1.4 AFE4400 接口电路

本设计采用TI 公司AFE4400 集成模拟前端采集、处理信号以及模拟数字转换等相关功能。AFE4400 集成模数转换器（ADC）的低噪声接受器通道、 一个LED 传输不见和针对传感器以及LED 故障检测的诊断功能。 AFE4400 与单片机的接口、光电器件的链接如图3 所示。

图3 AFE4400 接口电路图

图4 系统程序流程图

2 软件设计

主程序初始化完成后，AFE4400 一直转换数据， 定时器溢出开始更新数据。 由于集成模拟前端把复杂的时序驱动全都处理了，主控芯片只需要接受数据就好。 在AFE4400 转换结束，ADC_RDY 引脚会拉高，表示本次转换完成。 读取到的AD 值包含两个结果，用于计算的是交流部分的值，所以要采用算法跟踪直流电压，以此得到交流值。 根据直流的值可以适当调节光源的电流以达到自适应。 系统程序流程图如图4 所示。

脉搏的计算只依赖红外光的光波信号，通过3 个技术周期的采样点的个数来计算脉搏。 在所有采样点的数据中，做一个类似模拟迟滞比较器。经过迟滞比较器，脉搏信号变成了矩形波型号，近似测量相邻两个上升沿的时间，最后得出脉搏。如果把脉搏信号看做周期信号，测量上升沿的时间可以转换为测量脉搏信号的频率，有定时器周期查询信号状态并完成查询次数计数，这样就完成了脉搏测量。

3 脉搏血氧应用实例

目前，脉搏血氧仪的应用十分广泛，尤其是在临床监控方面。市场所开发的适用于家庭医疗的脉搏血氧仪内置锂电池，一次充电可连续工作很长时间，使得产品空间进一步缩小，更加方便快捷。实时波形显示以及上位机的通信使脉搏血氧仪的功能越来越强大。

4 总结

本设计采用的STM32 结合AFE4400 的方案设计的脉搏血氧仪，测量精度高，体积小，适合随声携带，OLED 的显示反应出人体生理参数信息。软硬件的结合，进一步减小了测量误差。STM32 适合做这类小数据量的数字信号处理，AFE4400 专用脉搏血氧仪的集成芯片AFE4400 使设计提供集成度，降低设计难度等。

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