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基于单片机及实现的脉博血氧仪系统解决方案

2020-09-05 10:38:00

脉搏血氧仪（如图1所示）通过测量手指氧合血和去氧血对红外和红色光吸收的变化，无创地监测心率和血氧饱和度。正常情况下，健康人的血氧饱和度在95%到100%范围内。使用像图1所示的血氧仪测量血氧饱和度有助于监测我们的健康状况，而这正变得越来越流行。

图1 指夹式脉搏血氧仪

TI提供了基于MSP430FR235x单片机及其内部集成的4x智能模拟组合（SAC）实现的单芯片脉博血氧仪系统解决方案。智能模拟组合（SAC）是TI MSP430FR235x特有的外设，可由用户软件配置成不同应用模式，用于输入或输出路径的模拟信号调理。具体的应用模式如图2所示：

图 2 智能模拟组合（SAC）框图和模式

系统框图如图3所示：

图3 脉搏血氧仪系统框图示例

MSP430FR2355单片机作为方案的主控MCU，可为脉搏血氧仪系统提供以下功能和特性：

MSP430FR2355单芯片方案，有效省去外部运放和DAC，降低系统复杂度和成本。

MSP430FR2355片上集成4个智能模拟组合（SAC），每一个SAC可被配置成运算放大器（OPA），可编程增益放大器（PGA），或者12位DAC。

上述脉搏血氧仪方案中：

a)2个SAC配置成两路12位分辨率的电流DAC，实现IR/RED发光管的可调恒流驱动；

b) 1个SAC配置成只有50pA偏置电流的跨阻放大器（TIA），实现Photodiode电流转电压；

c) 1个SAC配置成32倍增益的可编程增益放大器（PGA），配合DAC实现信号的直流补偿和交流成分放大；

片上集成12位ADC和1.5/2.0/2.5V可调参考电压源。ADC通道与SAC输出内部连接，有效降低了PCB布线复杂度和噪声干扰；

I2C和SPI接口可以满足单片机与方向传感器、LCD/OLED屏的通讯要求；

片上集成的定时器模块可以输出多路PWM信号以驱动蜂鸣器、LCD背光电荷泵等装置；

低至42nA的超低待机电流，和待机模式下的GPIO唤醒功能，可以为电池供电的血氧仪系统提供更长待机时间和快速按键唤醒。

MSP430FR235x系列单片机是TI推出的超低功耗、低成本，具有丰富模拟信号链资源的16位RISC MCU，其低功耗的优点和VQFN32(4*4mm)的封装极适合应用于便携设备。图4展示了MSP430FR235x丰富的片上模拟和数字资源。

图4 MSP430FR235x片上资源

本文中详细介绍的TI 器件，以及丰富的线上软硬件资源，将助力工程师快速设计血氧仪。