基于高性能模擬器件簡(jiǎn)化便攜式醫療設備原理及設計

必須使用恒流源驅動(dòng)這兩個(gè)LED，以確保測量過(guò)程中保持穩定的亮度。具有自動(dòng)增益控制(AGC) 反饋的恒流源可以通過(guò)采用內部 DAC及簡(jiǎn)單MCU算法而獲得。MCU能夠選擇輸出血液脈動(dòng)部分的吸收量，動(dòng)脈血液、非脈動(dòng)靜脈血液或毛細血管血液以及其它人體組織色素均會(huì )吸收光線(xiàn)。最新測量技術(shù)降低了測量血氧飽和度時(shí)的干擾效應。兩個(gè)LED周期性打開(kāi)，紅光LED開(kāi)啟，然后紅外線(xiàn)LED開(kāi)啟，最后兩個(gè)都關(guān)閉，每秒鐘重復幾次，這種時(shí)分多路復用技術(shù)消除了背景噪聲的干擾。相位正交復用技術(shù)可使紅色光及紅外線(xiàn)先按相位(而不是時(shí)間)分離，隨后又組合。這種更先進(jìn)的技術(shù)有可能消除運動(dòng)或電磁干擾產(chǎn)生的大氣干擾，原因是兩種LED信號在再組合時(shí)相位有差異 。5~20s可 以測出平均血樣飽和度，通過(guò)連續脈動(dòng)信號之間的LED周期數能夠計算出脈搏率，得出脈搏率平均值大概與得出飽和度平均值的時(shí)間近似，這與具體的監控器有關(guān)。

MCU根據兩種頻率光線(xiàn)的吸收比例計算兩個(gè)參數的比值。MCU 閃存中存儲了一系列通過(guò)實(shí)驗得到的血氧飽和值(志愿者在實(shí)驗中呼吸氣體的氧氣含量逐漸增加)。MCU將測量到的兩種光線(xiàn)波長(cháng)吸收率的比值與存儲值比較，然后以百分比顯示血氧飽和度。通常情況下，血氧飽和值在70%~100%之間，低于70%的數據是估測得出的，因為無(wú)法獲得人體血氧含量低于70%的數據。

基于MSP430FG461x的脈搏血氧計結構圖如圖4所示。該應用具有完整的模擬前端解決方案，其中包括集成運算放大器、ADC及 DAC。DAC與片上參考電路形成驅動(dòng) LED 的恒流源。其中一個(gè)運算放大器用作傳感器光電二極管的I/V轉換器。通過(guò)使用DAC輸出及 MCU 執行的軟件算法來(lái)調節LED 亮度，由此實(shí)現自動(dòng)增益控制。ADC將放大后并經(jīng)過(guò)濾波的輸出信號進(jìn)行數字化處理，而MCU中的軟件則計算出平均值。至此完成了紅光、紅外線(xiàn)光源及雙方比值的數據采集和計算。該比值與存儲的標準數據比較后得到精確的血氧飽和度值。計算出的血氧百分比值顯示在LCD上。A/D轉換值也含有心率信息，軟件在5s左右可以計算出心率平均值，該值也同時(shí)顯示在 LCD上。另外，MCU的PWM輸出驅動(dòng)壓力蜂鳴器，每心跳一下就發(fā)出一次短暫蜂鳴。通過(guò)這種周期性蜂鳴可以判斷傳感器位置及信號采集是否正常。

圖4 基于MSP430FG461x的脈搏血氧計

結語(yǔ)

在上述便攜式醫療應用中，超低功率微控制器MSP430FG461x作為單芯片解決方案，具有多種優(yōu)勢。ADC的高精度很容易滿(mǎn)足測量類(lèi)應用的需求。片上運算放大器及 DAC非常有助于信號調節和自動(dòng)增益控制。為測量類(lèi)應用選擇了合適 的MCU之后 ，系統設計師下一步就要進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。由于MCU能夠提供片上仿真功能，所以設計人員可以通過(guò)JTAG端口進(jìn)行實(shí)時(shí)調試?，F有多種編譯器及調試器可用，且調試器硬件很便宜。調試器硬件需要一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯電平轉換器連接至PC并行端口，且無(wú)需傳統的ICE接口。全功能實(shí)時(shí)仿真可以在芯片內置硬件上設定斷點(diǎn)，因而在調試的同時(shí)能夠實(shí)現全速運行。該器件的高集成度和代碼開(kāi)發(fā)方便性顯著(zhù)降低了系統設計成本。調試過(guò)程中可以隨時(shí)刷新閃存中的程序代碼，從而極大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，所以，選擇該MCU能夠有效縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。另外，120KB的系統內可編程閃存同時(shí)可以作為數據記錄器使用。