基于京微雅格CAP系統(tǒng)的便攜式血氧儀解決方案

摘要：CAP系統(tǒng)是京微雅格將純硬件的MCU處理器與可編程邏輯器件的有機(jī)結(jié)合，即能提供高性能處理器（增 強(qiáng)型8051）又提供了靈活的邏輯資源，客戶可以在一個(gè)平臺(tái)上完成FPGA與MCU的結(jié)合，能夠節(jié)省系統(tǒng)電路板面積并減少系統(tǒng)的芯片數(shù)量。本文介紹了在京微雅格CAP系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的便攜式血氧儀方案。

　　隨著便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品市場迅速發(fā)展，脈搏血氧儀日益廣泛地被應(yīng)用到病人多參數(shù)監(jiān)護(hù) 領(lǐng)域，為臨床提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。脈搏血氧儀是根據(jù)還原血紅蛋白，氧合血紅蛋白在紅光和紅外光區(qū)域的吸收光譜特性，運(yùn)用朗柏-比爾（Lambert-Beer） 定律建立數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)公式通過光電轉(zhuǎn)換獲取測量結(jié)果。

　　原理如下：D=In（Ii/Io）=kCd

　　其中，C為血液濃度，d為光透視血液經(jīng)過路徑，K為血液光吸收系數(shù)，Ii為透射光強(qiáng)度，Io為發(fā)射光強(qiáng)度。

　　血液中的HbO2（氧合血紅蛋白）和Hb對(duì)不同波長的光吸收系數(shù)是不一樣的，在波長600~700納米的紅光（RED）區(qū)，Hb的吸收率遠(yuǎn)比HbO2大，但在波長為800~1000納米的紅外光（IR）區(qū)，Hb的吸收率遠(yuǎn)比HbO2的小，在805納米附近是等吸收點(diǎn)。

　　發(fā)光二極管工作時(shí)發(fā)出660紅光和940的紅外光，光電二極管檢測器透過手指的動(dòng)脈血管的紅光和紅外光通過光電轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過放大和濾波后，分別由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

　　血氧飽和度為SaO2=K1R’+K2R’+K3。其中，K1，K2，K3 是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值，而R’是在很小的時(shí)間間隔上，兩種光電信號(hào)的幅度變化量之比，即R’=△RED/△IR

　　血氧儀一般包括血氧飽和度檢測模塊，主控制器，血氧檢測探頭三個(gè)主要部分，典型結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1脈搏血氧儀夾指示意圖
　　
圖2血氧儀的電路構(gòu)成

　　血氧檢測探頭光電二極管檢測器，能產(chǎn)生正比于透視到它上面的紅光和紅外強(qiáng)度的電流，但它不能區(qū)分這兩種光，可用一個(gè)定時(shí)電路來交替控制兩個(gè)LED的發(fā)光時(shí)序。

　　圖2所示脈搏血氧儀硬件電路以京微雅格M1（衡山）系列FPGA作為主控制器，整個(gè)硬件系統(tǒng)包括血氧檢測頭，LED橋式驅(qū)動(dòng)電路，濾波放大電路，系統(tǒng)外部電路組成。

　　由M1引出的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替控制LED橋式驅(qū)動(dòng)器三極管的開啟和關(guān)斷，并有定時(shí)器輸出兩路PWM脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED橋式電路，用于驅(qū)動(dòng)探頭內(nèi)的紅 光與紅外光LED 發(fā)光，并產(chǎn)生周期性光信號(hào)。探頭內(nèi)的光電二極管檢測器采集含有血氧的光信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電信號(hào)，濾波放大電路將得到的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波和信號(hào)放大。

　　FPGA對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其中一路A/D采樣值用于檢測LED橋式驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度，另外一路A/D用于系統(tǒng)計(jì)算血氧值信號(hào)。同時(shí)用于接口擴(kuò)展鍵盤、LCD等。

　　CME系列FPGA含有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有200MHz的運(yùn)算速度，豐富的外設(shè)，豐富的FPGA邏輯資源，物盡所用，真正意義上實(shí)現(xiàn)了SoC，是滿足用戶多樣化設(shè)計(jì)需求的最佳選擇方案。

　　參考文獻(xiàn)：

　?。?］ 劉波文，黎勝容.ARM嵌入式項(xiàng)目開發(fā)三位一體實(shí)戰(zhàn)精講［M］。北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2011