【应用】基于CW32L系列MCU的指夹式血氧仪，实现更高精度测量

时间： 2023-09-07 来源：CW32生态社区公众号

技术问答

血液中，血红细胞的含氧血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb），对红光（660nm）和红外线（900nm）有不同的吸收能力。

●还原血红蛋白（Hb）吸收的红光较多，红外线较少。

●含氧血红蛋白（HbO2）吸收的红光较少，红外线较多。

指夹式血氧仪的原理就是——在设备的同一位置，设置红光LED和红外线LED灯，测量血氧饱和度。

当光线从手指的一面穿透到另一面，就能检测两种血红蛋白对不同波长的光吸收的区别，所测出来的数据差被光敏二极管接收后，可产生对应比例的电压。就可以测出实际含氧量下，血氧饱和度最基本的数据，比值。

实际上要做到更高的精度，除了两个波长以外还要增加，甚至高达8个波长。

设计方案

可以用CW32L031C8T6实现上述的指夹式血氧仪产品设计，分享一个开源案例！

本文主要分享【指夹血氧仪】的——功能、硬件设计思路、软件代码说明。

功能描述

1.采用0.96inch TFT彩屏显示。

2.锂电池供电，可充电。

3.低弱灌注性能，最低可达到0.2%。

可保证在信号弱、儿童、失血多、肢体冰凉的低灌注的患者进行准确测量。

4.光强自动调节。

可根据病人的手指大小自动调节发射光强，保证信号质量更好，功耗更低，可以使用不同大小的手指、不同皮肤颜色。

5.优秀的环境光抵消功能。

可以在室内以及光线较强的临床环境使用。

6.可测量血氧饱和度SpO2、脉率PR、灌注指数PI。

7.可进行屏幕方向翻转。

8.5s快速出测量结果。

9.血氧饱和度和脉率超限报警。

10.无手指自动关机。

11.电池电量报警以及电池电量低自动关机。

硬件设计思路

本章节主要讲解电源板和主控板的设计思路。

1.电源板

电源支持USB外接供电、电池供电、电池充电等功能。

整体架构包括——电源路径管理及电池充电电路、5V供电电路、3.3V供电电路，这三个部分，如下图所示。

1.1 电源路径管理及电池充电电路

电源路径管理电路采用P-MOS作为开关，通过G端电压与S端电压关系，实现USB供电与电池供电的动态切换功能。

电池充电电路采用TC4056A芯片作为主控，依托其可编程充电电流控制、充电状态指示等功能，实现单节锂电池充电功能。

USB接口增加过压、过流保护电路设计，防止插入瞬间尖峰电压对后级电路的冲击。

增加D3二极管的目的是加速P-MOS导通，防止因供电方式切换，导致主控掉电复位等问题。

原理图设计如下。

1.2 直流5V供电电路

直流5V供电电路采用MT3608芯片搭建Sepic电路，确保在电池电压下降时也能稳定提供5V电压。

原理图设计如下。

1.3 直流3.3V供电电路

直流3.3V供电电路采用AMS1117-3.3芯片构建LDO降压电路，稳定提供3.3V电压。

原理图设计如下。

1.4 PCB设计

2、主控板

主控板包括MCU电路、发射电路、接收电路、按键电路、蜂鸣器电路、TFT显示屏电路，这六个部分，用于实现血氧仪主要功能。

2.1 MCU电路

MCU电路采用CW32L031C8T6作为主控芯片，设计BOOT电路、SWD烧录接口及复位按钮（不焊接），受空间限制，取消外部晶振电路。

原理图设计如下：

2.2 发射电路

发射电路采用“RS2105+RS622”设计方案。

由RS2105电子开关芯片构成双路开关电路，用于控制发射时序；

由RS622芯片所包含的两路运算放大器搭配N沟道MOS管形成恒流源电路，通过PWM信号控制电流大小，以实现控制发射信号强弱的目的。

采用“660nm红光+900nm红外光”的双波长发射管，内部反向并联连接，通过上述H桥电路控制发射时序和发射功率。

原理图设计如下：

2.3 接收电路

接收电路采用RS622双路运放芯片作为核心。

前级与200KΩ电阻及电容构成跨阻放大电路，采集并放大“直流+交流”混合信号；

后级通过负反馈200KΩ电阻构成信号放大电路，放大交流信号；

前后级之间通过电容耦合，并与电阻构成高通滤波器，有效滤除直流信号。

原理图设计如下：

2.4 按键电路

独立按键设计，采用1mm超薄按键，通过并联电容构成硬件消抖电路，通过电阻接入MCU的PB03引脚，按键按下为低电平（低电平有效）。

原理图设计如下：

2.5 蜂鸣器电路（当前版本PCB受空间限制已取消）

蜂鸣器电路采用2KHz无源蜂鸣器作为核心元件，以N沟道MOS管作为开关，通过输出一定频率的PWM信号驱动蜂鸣器发声。

原理图设计如下：

2.6 TFT显示屏电路

TFT显示屏电路用于驱动0.96寸全彩LCD显示屏。

设计8P抽屉式下接FPC接口，用于连接带软排线接口的显示屏。同时以PNP三极管作为开关，通过MCU输出一定占空比的PWM信号实现屏幕背光控制。

原理图设计如下：

2.7 PCB设计

软件说明

本章主要说明TFT显示屏、FFT算法实现、FFT结果运用。

由于【原文+源码】部分描述十分详细，本文仅摘取部分展示。可以在开源页查看详细内容。

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