采用MCU的简化脉搏血氧仪集成设计

分类：PCB设计案例 | 发布时间：2011-2-19 16:39:12

脉搏血氧仪是一种用于监视病人血氧饱和度的非浸入式仪器，它正受益于从昂贵的分立元件解决方案转向更高集成度的设计。但是，集成意味着需要就采用哪种处理架构做出艰难抉择。

脉搏血氧仪依赖于脉搏强度或脉动流来进行测量，因此被监视的区域内必须具有良好的血流，而任何阻滞都可能造成测量误差。脉搏血氧仪还能连带计算出脉搏频率，因此大多数脉搏血氧仪都具有这项功能。典型脉搏血氧仪的测量范围介于70%－100%的饱和度之间，低于70%时读数便不可靠。

脉搏血氧仪的工作原理基于动脉搏动期间光吸收量的变化。分别位于可见红光光谱(660纳米)和红外光谱(940纳米)的两个光源交替照射被测试区(一般为指尖或耳垂)。在这些脉动期间所吸收的光量与血液中的氧含量有关。微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率，并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较，从而得出血氧饱和度。

脉搏血氧仪的典型组件包括：一个微处理器、存储器(EPROM与RAM)、两个控制LED的数模转换器、对光电二极管接收的信号进行滤波与放大的器件、将接收信号数字化以提供给微处理器的模数转换器。LED与光电二极管放置在与患者指尖或耳垂接触的小型探针中。脉搏血氧仪还包括显示器与绘图仪，它们一般为分立元件。

数家制造商已可提供带有A/D 和D/A转换器、微控制器内核、存储器及其它外围功能的集成模拟微控制器。仅有滤波、信号调节和放大等功能需要使用外部组件。如果所选MCU的功能足够强大，则可在数字域完成信号调节，从而近一步简化系统。

然而，集成解决方案的选择颇具挑战性，因为这些模拟微控制器的种类非常多，如8位、16位及32位的CISC和RISC架构，同时还有多种A/D、D/A及其它外围选项。

对于MCU，设计者应首先考虑8位内核，如传统的8051。这些内核闻名遐尔且易于理解和使用。此外，还有大量代码和经过验证的工具可供使用。

尽管16位和32位MCU内核在数据采集系统中并不流行，但正逐渐被人们所接受。使用这些宽总线MCU比使用8位MCU更容易处理宽字节数据，所以它们对12位、16位及24位A/D数据的计算更容易、更快。凭借它们更快的操作速度，这些宽总线MCU在执行复杂算法方面比8位MCU具有更高效率。工具提供商已开始为这些16/32位集成解决方案提供工具包和支持。

对一个简单的脉搏血氧仪来说，8位MCU内核完全够用，但如果要求有复杂的滤波、数学计算或数据处理等更多功能，那么16/32位器件可能是更好的选择。理想解决方案将是：一个带有内部程序闪存与RAM(用于存储操作程序、饱和度查找表和捕获的数据)的16/32位MCU、两个用于驱动光源的D/A转换器、一个至少12位分辨率用以量化光电二极管所接收数据的多通道A/D转换器(它还可用于监视电池寿命等其它参数)。如果再有一些板上的可配置胶合逻辑则更好。