晶華微SD93F112血氧儀方案的詳細說明

一、概述

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

二、血氧檢測原理

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。

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

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)出波長為660nm的可見紅光，另外一只發(fā)光管發(fā)出波長為920nm~950nm之間的不可見紅外光。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)動電路來驅(qū)動兩個LED，一個為可見紅光LED，另一個為不可見紅外光LED。P20和P21分別是SoC芯片的通用I/O端口，按一定間隔時間交替輸出驅(qū)動兩路LED交替發(fā)光。運算放大器OPA控制通過LED的電流，改變DAO2電壓從而控制其光輸出強度。光電二極管接收到的光信號后轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，這個電流信號被運算放大器OPB轉(zhuǎn)換成一個可供處理的電壓信號。然后經(jīng)過放大、濾波等處理使其轉(zhuǎn)變成用于識別的電壓信號，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，成為SoC能夠處理的數(shù)字信號。

圖3 LED驅(qū)動電路及信號轉(zhuǎn)換

三、基于SD93F112?的血氧儀應(yīng)用開發(fā)方案

本文將重點介紹基于晶華微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OP作電流電壓轉(zhuǎn)換；13通道高精度ADC能準確測量出電流信號；自帶LCD驅(qū)動不需要專門的LCD驅(qū)動芯片便可實現(xiàn)血氧儀的顯示；可分頻的正弦波發(fā)生器；自帶電壓檢測，不需要低壓檢測芯片便可實現(xiàn)電池電量檢測功能，并且檢測電壓2.0~5.3V可調(diào)整；有56k Bytes Flash存儲用戶程序和數(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)存儲器便可實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲，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現(xiàn)血氧儀應(yīng)用方案。軟件方面，SD93F112芯片可使用C語言進行軟件開發(fā)，同時還提供完整的SDK和庫函數(shù)，方便軟件工程師開發(fā)，并且有強大的技術(shù)團隊提供技術(shù)支持，有效降低產(chǎn)品研發(fā)門檻，可大大縮短項目開發(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

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、脂肪秤、血糖儀、血氧儀、紅外測溫等領(lǐng)域，有以下特點：

ADC

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

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。

存儲器

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

系統(tǒng)時鐘

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)時鐘。

LCD驅(qū)動

帶LCD驅(qū)動模塊，支持4COM x 22SEG、6COM x 20SEG和8COM x 18SEG三種驅(qū)動模式；具有超低功耗和大驅(qū)動能力設(shè)計，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測脂。

電源管理系統(tǒng)

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

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

通信

內(nèi)置UART通信接口，待機時RXD下降沿自動喚醒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，可以單點校正，支持自動正反測。

低功耗

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

六、結(jié)論

本文介紹的SD93F112型號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，也能正常工作較長的時間。

審核編輯：符乾江