了解在脈搏血氧計設計中應用

脈搏血氧計為非侵入式，只需夾在手指上，通過測量含氧或缺氧血液對紅外線和紅光的吸收情況的變化來監測人的心率和血氧飽和度 (SpO2)。正常情況下，健康人的血氧飽和度在 95% 到 100% 之間。使用類似圖 1 所示的脈搏血氧計測量血氧飽和度可以幫助患者：

●   了解藥物的效用

●   確定他們能否提高活動水平。

●   確定呼吸機是否必要或正在運行。

●   監測睡眠呼吸暫停癥狀發作情況。

有些人患有心力衰竭或哮喘之類影響血氧水平的疾病，也可以使用脈搏血氧計。

圖1 夾指脈搏血氧計

通常，光電二極管測量通過手指的紅外線和紅光。光電二極管傳感器發出的信號包含一個大的直流分量和一個小的交流分量（交流大約是直流的 0.4% 到 10%），如圖 2 所示。大的直流分量是由于身體組織中含氧量較低的部位的吸收作用和散射光導致的。小的交流分量由動脈等含氧部位的光調制以及 50/60Hz 下的環境光噪聲組成。交流和直流分量對于 SpO2 的計算都是必要的。為達到精度要求，需要設計一個信號調節電路來放大交流分量，增加分辨率，抵消直流分量和環境光。但是，信號水平因患者的健康狀況以及手指的位置和厚度而異。為了避免信號飽和，需要根據信號的范圍動態調整放大器的增益。

圖2 具有大直流分量和小交流分量的光體積描記信號

TI 有一個基于 MSP430FR2355 微控制器 (MCU) 及其內置智能模擬組合 (SAC) 的單芯片脈搏血氧計解決方案。作為 MSP430FR2355 的一種特色外設，SAC 可使用軟件配置，讓您能夠調節輸入或輸出路徑中的模擬信號。  SAC 模式如圖 3 所示。

圖3 使用 SAC 模式的系統方框圖

MSP430FR2355 作為系統中的主機 MCU，可提供真正的單芯片解決方案，有效消除了對外部放大器和數模轉換器 (DAC) 的需求并降低了系統的復雜性和成本。另外，您可以將每個 SAC 模塊配置為運算放大器、可編程增益放大器或 12 位 DAC。使用 MSP430FR2355 MCU 的脈搏血氧計的系統方框圖如圖 4 所示。

圖4 脈搏血氧計系統方框圖示例

圖 4 中的脈搏血氧計解決方案示例展示了四個 SAC 模塊：

●   兩個SAC模塊是12 位分辨率的DAC，用于驅動電流可調且穩定的紅外和紅色 LED。

●   一個SAC模塊是跨阻放大器，使用50pA 的輸入偏置電流測量光電二極管電流。

●   一個SAC模塊是PGA，與作為直流補償和交流放大器的DAC 配合可實現32 倍增益。

除了內置的智能模擬組合，低至 42nA 的待機電流、小封裝、存儲器配置和通信接口都非常適合低成本的脈搏血氧計設計。

圖5列出了詳細的 MSP430FR2355 MCU 片上模擬和數字特性。

圖5 MSP430FR2355 片上特性

結語

MSP430FR2355 是一個超低功耗、低成本的 16 位精簡指令集計算機 MCU，并有許多模擬信號鏈外設。四個智能模擬組合有效消除了對外部放大器和數模轉換器 (DAC) 的需求，從而降低了系統的復雜性和成本。低功耗的 VQFN32（4mm x 4mm 32 引腳）封裝非常適合脈搏血氧計這樣的便攜式設備。MSP430 MCU 以及在線軟件 和硬件資源可幫助您快速設計脈搏血氧計。

其他資源

●   閱讀應用報告“MSP430 的模擬組合可實現真正的單芯片脈搏血氧計設計”和“如何使用 MSP430 MCU 中的智能模擬組合”。

●   閱讀技術文章“如何快速設計紅外溫度計”。