干貨 | 了解在脈搏血氧計(jì)設(shè)計(jì)中應(yīng)用含智能模擬組合的 MSP430? MCU 的好處

脈搏血氧計(jì)為非侵入式，只需夾在手指上，通過(guò)測(cè)量含氧或缺氧血液對(duì)紅外線和紅光的吸收情況的變化來(lái)監(jiān)測(cè)人的心率和血氧飽和度 (SpO2)。正常情況下，健康人的血氧飽和度在 95% 到 100% 之間。使用類似圖 1 所示的脈搏血氧計(jì)測(cè)量血氧飽和度可以幫助患者：

了解藥物的效用

確定他們能否提高活動(dòng)水平。

確定呼吸機(jī)是否必要或正在運(yùn)行。

監(jiān)測(cè)睡眠呼吸暫停癥狀發(fā)作情況。

有些人患有心力衰竭或哮喘之類影響血氧水平的疾病，也可以使用脈搏血氧計(jì)。

通常，光電二極管測(cè)量通過(guò)手指的紅外線和紅光。光電二極管傳感器發(fā)出的信號(hào)包含一個(gè)大的直流分量和一個(gè)小的交流分量（交流大約是直流的 0.4% 到 10%），如圖 2 所示。大的直流分量是由于身體組織中含氧量較低的部位的吸收作用和散射光導(dǎo)致的。小的交流分量由動(dòng)脈等含氧部位的光調(diào)制以及 50/60Hz 下的環(huán)境光噪聲組成。交流和直流分量對(duì)于 SpO2 的計(jì)算都是必要的。為達(dá)到精度要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)電路來(lái)放大交流分量，增加分辨率，抵消直流分量和環(huán)境光。但是，信號(hào)水平因患者的健康狀況以及手指的位置和厚度而異。為了避免信號(hào)飽和，需要根據(jù)信號(hào)的范圍動(dòng)態(tài)調(diào)整放大器的增益。

圖 2：具有大直流分量和小交流分量的光體積描記信號(hào)

TI 有一個(gè)基于 MSP430FR2355 微控制器 (MCU) 及其內(nèi)置智能模擬組合 (SAC) 的單芯片脈搏血氧計(jì)解決方案。作為 MSP430FR2355 的一種特色外設(shè)，SAC 可使用軟件配置，讓您能夠調(diào)節(jié)輸入或輸出路徑中的模擬信號(hào)。 SAC 模式如圖 3 所示。

圖 3：使用 SAC 模式的系統(tǒng)方框圖

MSP430FR2355 作為系統(tǒng)中的主機(jī) MCU，可提供真正的單芯片解決方案，有效消除了對(duì)外部放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的需求并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。另外，您可以將每個(gè) SAC 模塊配置為運(yùn)算放大器、可編程增益放大器或 12 位 DAC。使用 MSP430FR2355 MCU 的脈搏血氧計(jì)的系統(tǒng)方框圖如圖 4 所示。

圖 4：脈搏血氧計(jì)系統(tǒng)方框圖示例

圖 4 中的脈搏血氧計(jì)解決方案示例展示了四個(gè) SAC 模塊：

兩個(gè) SAC 模塊是 12 位分辨率的 DAC，用于驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)且穩(wěn)定的紅外和紅色 LED。

一個(gè) SAC 模塊是跨阻放大器，使用 50pA 的輸入偏置電流測(cè)量光電二極管電流。

一個(gè) SAC 模塊是 PGA，與作為直流補(bǔ)償和交流放大器的 DAC 配合可實(shí)現(xiàn) 32 倍增益。

除了內(nèi)置的智能模擬組合，低至 42nA 的待機(jī)電流、小封裝、存儲(chǔ)器配置和通信接口都非常適合低成本的脈搏血氧計(jì)設(shè)計(jì)。

圖 5 列出了詳細(xì)的 MSP430FR2355 MCU 片上模擬和數(shù)字特性。

圖5：MSP430FR2355 片上特性

結(jié)語(yǔ)

MSP430FR2355 是一個(gè)超低功耗、低成本的 16 位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) MCU，并有許多模擬信號(hào)鏈外設(shè)。四個(gè)智能模擬組合有效消除了對(duì)外部放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的需求，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。低功耗的 VQFN32（4mm x 4mm 32 引腳）封裝非常適合脈搏血氧計(jì)這樣的便攜式設(shè)備。MSP430 MCU 以及在線軟件 和硬件資源可幫助您快速設(shè)計(jì)脈搏血氧計(jì)。

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德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。

審核編輯 黃宇