使用 Microchip 的 dspic 数字信号控制器 (DSC) 和模拟器件实现脉冲血氧仪设计 作者 : Zhang Feng Microchip Technology Inc. 简介 脉冲血氧仪是一种用于监测患者血氧饱和度和心率的非侵入式医疗设备 本应用笔记演示了如何使用 Microchip 的 dspic 数字信号控制器 (Digital Signal Controller, DSC) 和模拟器件来实现高精度脉冲血氧仪 图 1: 功能框图 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 1 页
工作原理 脉冲血氧仪基于氧合血红蛋白 (HbO 2 ) 和脱氧血红蛋白 (Hb) 的红光 ( 波长为 600-750 nm) 和红外光 ( 波长为 850-1000 nm) 吸收特性来监测人体血液的氧饱和度 (SpO 2 ) 脉冲血氧仪会交替地闪烁红光和红外光, 光线穿过手指到达光电二极管 HbO 2 会吸收更多的红外 光, 允许更多的红光穿过 另一方面, Hb 会吸收更多的红光, 允许更多的红外光穿过 光电二极管接收来自每个 LED 的未吸收光 该信号通过使用反向运放进行反向, 因此结果 ( 如图 2 所示 ) 代表已被手指吸收的光线 图 2: 示波器捕捉的实时红光和红外光 (IR) 脉冲信号 DS00001525A_CN 第 2 页 2014 Microchip Technology Inc.
测量红光和红外光信号的脉冲幅值 (Vpp), 然后将脉冲幅值转换为 Vrms, 最后根据公式 1 得到比率值 使用该比率值和由经验公式组成的查找表, 可以确定 SpO 2 脉率基于模数转换器 (Analog-to-Digital Converter, ADC) 采样数和采样率进行计算 查找表是该系统的一个重要组成部分 查找表限定于特定的血氧仪设计, 并且通常基于一些校准曲线, 这些校准曲线是在各种 SpO 2 水平下多次测量健康受试者得到 图 3 给出了一个示例校准曲线 公式 1: Ratio 比率 = Red_AC_Vrms / Red_DC -------------------------------------------------------------- IR_AC_Vrms / IR_DC 图 3: 示例校准曲线 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 3 页
电路说明 该示例中使用的 SpO 2 探头是一个现成的 Nellcor 兼容指夹式探头, 该探头集成了一个红光 LED 一个 IR LED 和一个光电二极管 LED 通过 LED 驱动电路进行控制 信号调理电路会检测穿过手指的红光和 IR 光, 然后馈送至单片机的 12 位模数转换器 (ADC) 模块, 单片机可以计算 SpO 2 的百分比 LED 驱动电路 通过单片机的两个 PWM 信号驱动的双 SPDT 模拟开关会交替地点亮红光和红外光 LED 为了获得适当数量的 ADC 采样, 并在 LED 下一次点亮之前有足够的时间来处理数据, 将根据图 4 中的时序图来点亮 / 熄灭 LED: 图 4: 时序图 LED 电流 / 强度通过由单片机驱动的 12 位数模转换器 (Digital-to-Analog Converter, DAC) 控制 模拟信号调理电路 信号调理电路具有两个放大级 第一个放大级是跨阻放大器, 第二个放大级是增益放大器 两个放大级之间放置一个高通滤波器 增益放大器高通滤波器的输出传输到第二级放大器, 其增益为 22, 直流失调电压为 220 mv 放大器的增益和直流失调值设置为可使增益放大器的输出信号电平处于单片机的 ADC 范围 跨阻放大器跨阻放大器将光电二极管生成的电流 ( 几微安 ) 转换为电压 ( 几毫伏 ) 高通滤波器第一级放大器接收的信号传输到高通滤波器, 其目的是降低背景光干扰 DS00001525A_CN 第 4 页 2014 Microchip Technology Inc.
数字滤波器设计 模拟信号调理电路的输出连接到 dspic DSC 的 ADC 模块 在每个 LED 的点亮周期内, 获取一个 ADC 采样 ; 在两个 LED 的熄灭周期内, 获取一个 ADC 采样 利用 dspic DSC 中集成的功能强大的数字信号处理 (Digital Signal Processing, DSP) 引擎, 实现一个数字 FIR 带通滤波器对 ADC 数据进行滤波 滤波后的数据用于计算脉冲幅值 数字滤波器代码使用 Microchip 的数字滤波器设计工具生成 FIR 带通滤波器规范采样频率 (Hz):500 通带纹波 (-db):0.1 通带频率 (Hz):1 & 5 阻带纹波 (-db):50 阻带频率 (Hz):0.05 & 25 滤波器长度 :513 FIR 窗口 :Kaiser 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 5 页
连接 SpO 2 和脉率数据可以使用 PICkit 串行分析器通过 UART 端口发送到计算机 串行端口设置为 115200-8-N-1-N 脉冲信号可以使用诸如 Microchip 的通用串行数据显示 GUI 之类的应用程序进行绘制, 如图 5 所示 此外, 还可以通过 UART 端口将数据发送到 Wi-Fi 或 Bluetooth 模块 图 5: 显示脉冲信号的波形 DS00001525A_CN 第 6 页 2014 Microchip Technology Inc.
图 6: 程序流程图 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 7 页
注 : DS00001525A_CN 第 8 页 2014 Microchip Technology Inc.
附录 A: 原理图 本附录给出了 Microchip 脉冲血氧仪的原理图 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 9 页
图 1: MICROCHIP 脉冲血氧仪演示板原理图 1 DS00001525A_CN 第 10 页 2014 Microchip Technology Inc.
图 2: MICROCHIP 脉冲血氧仪演示板原理图 2 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 11 页
附录 B: 医疗演示警告 限制和免责声明 本演示仅用于评估和开发 不可用于医疗诊断 附录 C: 参考资料 AN1494, 用于光探测应用的 MCP6491 运放, Microchip Technology Inc.,DS01494A_CN,2013 DS00001525A_CN 第 12 页 2014 Microchip Technology Inc.
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 QUALITY MANAGEMENT SYSTEM CERTIFIED BY DNV == ISO/TS 16949 == 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ 徽标 MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 徽标 rfpic SST SST 徽标 SuperFlash 和 UNI/O 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Silicon Storage Technology 为 Microchip Technology Inc. 在除美国外的国家或地区的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit 徽标 CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA 和 Z-Scale 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 GestIC 和 ULPP 为 Microchip Technology Inc. 的子公司 Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 在除美国外的国家或地区的注册商标 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2014, Microchip Technology Inc. 版权所有 ISBN:978-1-62077-919-4 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部 设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证 Microchip 的 PIC MCU 与 dspic DSC KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品严格遵守公司的质量体系流程 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 2014 Microchip Technology Inc. DS00001525A_CN 第 13 页
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