基于高性能模擬器件簡化便攜式醫(yī)療設備原理及設計

必須使用恒流源驅動這兩個LED，以確保測量過程中保持穩(wěn)定的亮度。具有自動增益控制(AGC) 反饋的恒流源可以通過采用內(nèi)部 DAC及簡單MCU算法而獲得。MCU能夠選擇輸出血液脈動部分的吸收量，動脈血液、非脈動靜脈血液或毛細血管血液以及其它人體組織色素均會吸收光線。最新測量技術降低了測量血氧飽和度時的干擾效應。兩個LED周期性打開，紅光LED開啟，然后紅外線LED開啟，最后兩個都關閉，每秒鐘重復幾次，這種時分多路復用技術消除了背景噪聲的干擾。相位正交復用技術可使紅色光及紅外線先按相位(而不是時間)分離，隨后又組合。這種更先進的技術有可能消除運動或電磁干擾產(chǎn)生的大氣干擾，原因是兩種LED信號在再組合時相位有差異 。5~20s可 以測出平均血樣飽和度，通過連續(xù)脈動信號之間的LED周期數(shù)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間近似，這與具體的監(jiān)控器有關。

MCU根據(jù)兩種頻率光線的吸收比例計算兩個參數(shù)的比值。MCU 閃存中存儲了一系列通過實驗得到的血氧飽和值(志愿者在實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波長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(shù)據(jù)是估測得出的，因為無法獲得人體血氧含量低于70%的數(shù)據(jù)。

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 LED 的恒流源。其中一個運算放大器用作傳感器光電二極管的I/V轉換器。通過使用DAC輸出及 MCU 執(zhí)行的軟件算法來調(diào)節(jié)LED 亮度，由此實現(xiàn)自動增益控制。ADC將放大后并經(jīng)過濾波的輸出信號進行數(shù)字化處理，而MCU中的軟件則計算出平均值。至此完成了紅光、紅外線光源及雙方比值的數(shù)據(jù)采集和計算。該比值與存儲的標準數(shù)據(jù)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，該值也同時顯示在 LCD上。另外，MCU的PWM輸出驅動壓力蜂鳴器，每心跳一下就發(fā)出一次短暫蜂鳴。通過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

在上述便攜式醫(yī)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的高精度很容易滿足測量類應用的需求。片上運算放大器及 DAC非常有助于信號調(diào)節(jié)和自動增益控制。為測量類應用選擇了合適 的MCU之后 ，系統(tǒng)設計師下一步就要進行軟件開發(fā)。由于MCU能夠提供片上仿真功能，所以設計人員可以通過JTAG端口進行實時調(diào)試?，F(xiàn)有多種編譯器及調(diào)試器可用，且調(diào)試器硬件很便宜。調(diào)試器硬件需要一個簡單的邏輯電平轉換器連接至PC并行端口，且無需傳統(tǒng)的ICE接口。全功能實時仿真可以在芯片內(nèi)置硬件上設定斷點，因而在調(diào)試的同時能夠實現(xiàn)全速運行。該器件的高集成度和代碼開發(fā)方便性顯著降低了系統(tǒng)設計成本。調(diào)試過程中可以隨時刷新閃存中的程序代碼，從而極大縮短了開發(fā)時間，所以，選擇該MCU能夠有效縮短產(chǎn)品上市時間。另外，120KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存同時可以作為數(shù)據(jù)記錄器使用。