【应用】广芯微MCU芯片UM3213A用于脉搏血氧仪，主频32MHz，提供最大35个GPIO

时间： 2023-04-24 来源：广芯微电子公众号

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脉率（PR）是每分钟的脉搏数，正常情况下脉率和心率是一致的。正常人脉率规则，不会出现脉搏间隔时间长短不一的现象。正常人脉搏强弱均等，不会出现强弱交替的现象。另外，运动和情绪激动时可使脉搏增快，而休息、睡眠则使脉搏减慢。成人脉率每分钟超过100次，称为心动过速；每分钟低于60次，称为心动过缓。

除心率、血压、呼吸频率和温度外，脉搏血氧(PO)被认为是排在第5位的最关键健康状况指标。血红蛋白(Hb)是血细胞的重要组成部分，它负责将氧气从肺部输送到身体的其它组织。血红蛋白在任一时刻所含的氧气量被称为氧饱和度。氧饱和度以百分比表示，它是血红蛋白的含氧量与血红蛋白携氧能力之比。血氧饱和度是反映人体呼吸功能及氧含量是否正常，显示我们人体各组织是否健康的一个重要生理参数，一般认为血氧饱度正常值应不低于94%，在94%以下被视为供氧不足。严重缺氧会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。在欧美等发达国家，人们对血氧的监测相当重视，血氧仪已经有很高的普及率。

为加速终端客户开发血氧仪方案的设计流程，广芯微结合自身MCU芯片特点，推出了血氧仪方案参考设计。

方案速览

方案简介

UM321xA系列芯片是广芯微电子（广州）股份有限公司研制的基于ARM Cortex-M0+内核的超低功耗、Low Pin Count、宽电压工作范围的32位IoTP处理器SoC芯片系列，重点面向物联网行业便携式传感测量系统中的电池应用场景。依据行业应用场景的具体应用需求，芯片系统采用了独特的低功耗设计技术，内部集成了CAN、12位SAR ADC、UART、SPI、QSPI、I²C等通用外围通讯接口，ADC、OPA、比较器等传感获取接口，以及LPUART、LPTIMER、WDT等超低功耗模块接口。具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和超低功耗等技术特点。内置RC高频和低频振荡器，支持免晶振应用。支持Keil MDK集成开发环境，支持C语言和汇编语言进行软件开发。

本方案基于UM3213A芯片，主频32MHz，内置64KB闪存，提供最大35个GPIO，内部集成有一路OPA和8通道1Msps ADC，大大简化外围电路设计，此外低至0.48μA超低功耗能够大大延长脉搏血氧仪的使用时长。

硬件组成如下：

（1）MCU主控芯片：UM3213A ARM Cortex-M0+超低功耗芯片；

（2）血氧饱和度和脉率检测：用两束不同波长的光（如660nm的红光和905/940nm的近红外光）通过透镜照射人体指端，而由光敏器件获取测量信号，其中两个光源通过两个IO分时控制。使用三级OPA将测量信号放大，由低通滤波滤除高频干扰信号，其中每级OPA放大后都有一路ADC通道进行采样，即使用三个ADC通道采样光敏信号；

（3）电池电量检测：2节1.5V AAA电池直接用于脉搏血氧仪供电，省去外部LDO。使用ADC内部通道采集VDDCore电压，经过换算计算出电池电量；

（4）显示屏：使用128*64分辨率的OLED显示脉率、血氧饱和度和电量信息；

（5）按键：用于唤醒系统低功耗状态，使系统进入工作状态；

（6）串口：用于系统研发调试和后期维护。

方案功耗

本方案与市场两家主流厂家的两款产品进行了工作功耗和待机功耗对比，对比数据如下。

方案功能与优势

方案功能：

（1）脉率和血氧饱和度检测；

（2）无手指自动关机，节约电量；

（3）电池电量检测，时刻了解剩余电量；

（4）OLED界面4向显示切换；

（5）脉率和血氧饱和度异常提示，及时反馈身体异常状态。

方案优势：

（1）超低功耗，超长待机；

（2）高集成，外围电路简单，成本低廉；

（3）快速唤醒，快速启动；

（4）方案功能全面，大幅缩短开发周期。

软件介绍

（1）系统上电后先进入低功耗状态，即关机状态。通过唤醒按键唤醒系统进入工作状态，即开机进入运行状态；

（2）开机后系统通过光敏器件接收红光/红外光信号检测是否有手指，若持续一段时间检测不到手指，系统自动关机；

（3）若检测到手指，则进行脉搏血氧检测、电池电量检测和按键切换界面显示方向三个任务。屏幕显示脉率、血氧饱和度、电量和低脉率低血氧饱和度提示的信息；

（4）重复检测手指是否不在，若在，重复（3）到（4）。若不在，系统自动关机。

通用的开发环境

硬件环境

MCU平台：UM3213A

调试器：ARM V9仿真器

软件环境

操作系统：Windows

编译器：Keil MDK V5.25

编译语言：C

关于广芯微

广芯微电子（广州）股份有限公司专注于低功耗物联网芯片的研发、设计与销售，为客户提供面向个人与家庭、工业与商业物联网应用领域，以低功耗为差异化的8位/32位微控制器芯片、无线射频收发器芯片、数字电源管理芯片和传感与信号调理专用芯片等。

广芯微秉持客户第一、技术创新和市场领先的理念，以国际领先的技术为基础，为客户提供一流的产品与技术，打造值得信赖的集成电路设计品牌企业。公司独有的低功耗芯片设计方法、轻量化人工智能算法、大功率的PD快充协议以及多样性无线连接技术整合而成的低成本高收益的集成电路设计，在健康医疗电子、消费电子、智慧家庭、工业控制、传感器与表计等领域已经得到了广泛的应用。广芯微低功耗微处理器芯片与射频芯片具有超低睡眠功耗与更低的工作电流，有效地帮助电子设备降低能耗，积极助力节能减排。

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