基于MCU的脈搏血氧儀設(shè)計

脈搏血氧儀是一種用于監(jiān)視病人血氧飽和度的非浸入式儀器，它正受益于從昂貴的分立元件解決方案轉(zhuǎn)向更高集成度的設(shè)計。但是，集成意味著需要就采用哪種處理架構(gòu)做出艱難抉擇。

脈搏血氧儀依賴于脈搏強(qiáng)度或脈動流來進(jìn)行測量，因此被監(jiān)視的區(qū)域內(nèi)必須具有良好的血流，而任何阻滯都可能造成測量誤差。脈搏血氧儀還能連帶計算出脈搏頻率，因此大多數(shù)脈搏血氧儀都具有這項功能。典型脈搏血氧儀的測量范圍介于70%－100%的飽和度之間，低于70%時讀數(shù)便不可靠。

脈搏血氧儀的工作原理基于動脈搏動期間光吸收量的變化。分別位于可見紅光光譜(660納米)和紅外光譜(940納米)的兩個光源交替照射被測試區(qū)(一般為指尖或耳垂)。在這些脈動期間所吸收的光量與血液中的氧含量有關(guān)。微處理器計算所吸收的這兩種光譜的比率，并將結(jié)果與存在存儲器里的飽和度數(shù)值表進(jìn)行比較，從而得出血氧飽和度。

脈搏血氧儀的典型組件包括：一個微處理器、存儲器(EPROM與RAM)、兩個控制LED的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、對光電二極管接收的信號進(jìn)行濾波與放大的器件、將接收信號數(shù)字化以提供給微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。LED與光電二極管放置在與患者指尖或耳垂接觸的小型探針中。脈搏血氧儀還包括顯示器與繪圖儀，它們一般為分立元件。

數(shù)家制造商已可提供帶有A/D 和D/A轉(zhuǎn)換器、微控制器內(nèi)核、存儲器及其它外圍功能的集成模擬微控制器。僅有濾波、信號調(diào)節(jié)和放大等功能需要使用外部組件。如果所選MCU的功能足夠強(qiáng)大，則可在數(shù)字域完成信號調(diào)節(jié)，從而近一步簡化系統(tǒng)。

然而，集成解決方案的選擇頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些模擬微控制器的種類非常多，如8位、16位及32位的CISC和RISC架構(gòu)，同時還有多種A/D、D/A及其它外圍選項。

對于MCU，設(shè)計者應(yīng)首先考慮8位內(nèi)核，如傳統(tǒng)的8051。這些內(nèi)核聞名遐爾且易于理解和使用。此外，還有大量代碼和經(jīng)過驗(yàn)證的工具可供使用。

盡管16位和32位MCU內(nèi)核在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中并不流行，但正逐漸被人們所接受。使用這些寬總線MCU比使用8位MCU更容易處理寬字節(jié)數(shù)據(jù)，所以它們對12位、16位及24位A/D數(shù)據(jù)的計算更容易、更快。憑借它們更快的操作速度，這些寬總線MCU在執(zhí)行復(fù)雜算法方面比8位MCU具有更高效率。工具提供商已開始為這些16/32位集成解決方案提供工具包和支持。

對一個簡單的脈搏血氧儀來說，8位MCU內(nèi)核完全夠用，但如果要求有復(fù)雜的濾波、數(shù)學(xué)計算或數(shù)據(jù)處理等更多功能，那么16/32位器件可能是更好的選擇。理想解決方案將是：一個帶有內(nèi)部程序閃存與RAM(用于存儲操作程序、飽和度查找表和捕獲的數(shù)據(jù))的16/32位MCU、兩個用于驅(qū)動光源的D/A轉(zhuǎn)換器、一個至少12位分辨率用以量化光電二極管所接收數(shù)據(jù)的多通道A/D轉(zhuǎn)換器(它還可用于監(jiān)視電池壽命等其它參數(shù))。如果再有一些板上的可配置膠合邏輯則更好。