AFE4400+MSP430指甲式血氧儀設(shè)計(jì)方案

SPO2電路板根本原理根本原理說(shuō)明22承受振蕩法測(cè)量脈搏血氧飽和度〔SpO。分透射法和反射法，反射法的光源與光敏元件的距離為4~10mm。本方案承受透射法用于耳垂。溶液中氧合血紅蛋白〔HbO〕和復(fù)原血紅蛋白〔Hb〕對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸取系數(shù)不同，如以以下圖所示，在波長(zhǎng)為600~700nm的紅光區(qū)，HbHbO2800~1000nm的近紅外光區(qū)，HbO2的吸取系數(shù)比Hb805nm222與脈搏血氧飽和度〔SpO〕近似成線性，有以下近似公式： ，其中，22RIR 1 2I/I 為紅光和近紅外光透射光強(qiáng)之比； k，k 為常數(shù)。實(shí)踐中用 660nm的紅光和880/905/940nm的近紅外光，通過(guò)分時(shí)電路交替照耀含動(dòng)脈血管的部位，光電管檢測(cè)透射光強(qiáng)并將兩種波長(zhǎng)的信號(hào)分別出來(lái)。將兩種波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)信號(hào)，去除直流重量〔表皮、肌肉、骨骼和靜脈等引起的光吸取剩下溝通重量〔動(dòng)脈血的HbO2和Hb濃度隨著血液的脈動(dòng)做周期性的轉(zhuǎn)變引起的。溝通重量的脈動(dòng)規(guī)律與心臟的搏動(dòng)全都，用來(lái)計(jì)算心率；兩種溝通重量之比用來(lái)計(jì)算脈搏血氧飽和度〔2RIR 1 2由于生物組織是一個(gè)各向異性、強(qiáng)散射、弱吸取的簡(jiǎn)潔光學(xué)介質(zhì)；LED發(fā)出的光雖然單色性很好但是也還是有確定光譜寬度，不同批次的LED的峰值波長(zhǎng)也會(huì)有不全都性；再加之以上的線性公式也只是近似值。因此實(shí)際應(yīng)用中，承受以下的公式來(lái)作閱歷定標(biāo)：1 2 ，其中，k，k，k1 2 系統(tǒng)組成各單元電路具體設(shè)計(jì)及性能指標(biāo)計(jì)算電源電路局部AFE〔血氧)局部接收通道接收前端接收器是一個(gè)差分的電流-電壓轉(zhuǎn)阻放大器，將光電二極管的輸入電流轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷?。其反響電阻RF可選擇：1MΩ,500kΩ,250kΩ,100kΩ,50kΩ,25kΩ,10kΩ。反響電阻RF和反響電容C，組成一個(gè)低通濾波器。由于輸入的電流時(shí)脈沖的，所以應(yīng)F確保低通濾波器的時(shí)間常數(shù)RC具有足夠的帶寬，即：RF×CF≤接收通道采樣時(shí)間/10。CF5pF,10pF,25pF,50pF,100pF,and250p，以及它們之間的任意組合。電流--電壓放大器后面的其次級(jí)由電流DAC和一個(gè)放大器組成，它們可以補(bǔ)償?shù)舡h(huán)境光噪聲成分而僅僅是放大血氧容積波成分。電流DAC供給一個(gè)估算的補(bǔ)償電流ICANCEL可選擇：0,1,2,3,4,5,6,7,8,10μA，以使直流偏執(zhí)信號(hào)對(duì)中到接近放大器的中點(diǎn)(±0.9V)R100,150,G200,300,4000dB(x1),3.5dB(x1.5),6dB(x2),9.5dB(x3),12dB(x4)，以獲得更大的ADC動(dòng)態(tài)范圍。接收通道的采樣時(shí)間是可以獨(dú)立編程設(shè)置的，采樣應(yīng)在電流-電壓放大器的輸出穩(wěn)定后才進(jìn)展，應(yīng)當(dāng)延時(shí)一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間〔查電氣特性表為7。4路信號(hào)：LED2、LED2環(huán)境噪聲、LED1、LED1環(huán)境噪聲，分別進(jìn)展采樣和保持。422位的ADC25%分時(shí)進(jìn)展AD4路信號(hào)的數(shù)據(jù)流。ADC后面還有一個(gè)數(shù)字減法模塊，可以計(jì)算出(LED2–LED2環(huán)境噪聲)和(LED1LED1環(huán)境噪聲)。環(huán)境光噪聲補(bǔ)償算法F AMI F GVDIFF=2×(IPLETH×R/R+I ×R/RF AMI F GVDIFF=其次級(jí)的差分輸出；IPLETH=光電二極管電流的血氧容積波成分；IAMB=光電二極管電流的環(huán)境光噪聲成分；RI=第一級(jí)和其次極之間的電阻，RI=100k；輸出電壓不應(yīng)超過(guò)ADC的滿量程±1.2V。接收時(shí)序時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)內(nèi)置振蕩器在8MHz外部晶體的作用下產(chǎn)生一個(gè)8MHz2分頻為4MHz的時(shí)鐘，用于定時(shí)器模塊、ADC、及診斷模塊。定時(shí)器模塊11路信號(hào)：2路放射信號(hào)、4路采樣信號(hào)、4路轉(zhuǎn)換信號(hào)、1路ADC復(fù)位信號(hào)，它們的上升沿和下降沿時(shí)間點(diǎn)都可以被編程，一共第0~29個(gè)瞬時(shí)值需配置。它們都是使用164MHz的計(jì)數(shù)器并以脈沖重復(fù)頻率PRFPRF設(shè)置為500H。采樣脈沖應(yīng)延遲一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間約7ADC復(fù)位時(shí)間最小2CL。通過(guò)設(shè)置存放器來(lái)配置定時(shí)器，其配置步驟是：隨PRPLED2→LED2ambient→LED1→LED1ambient。其次，隨PRP周期開(kāi)頭，按挨次配置采樣信號(hào)時(shí)序：LED2ambient→LED1→LED1ambient→LED2。最終，對(duì)齊兩個(gè)放射LED脈沖的瞬時(shí)值。ADC操作和求平均值模塊滿量程輸入電壓是±1.2V，ADC22位的二進(jìn)制補(bǔ)碼，242位予以無(wú)視。在存放器2Ah(42)、2Bh(43)、2Ch(44)、2Dh(45)4路2Eh(46)、2Fh(47)2個(gè)差值數(shù)據(jù)。放射局部8DAC50mA。有兩種驅(qū)動(dòng)電路方式，本設(shè)計(jì)中使用頭尾相連的放射對(duì)管，所以選擇H橋的驅(qū)動(dòng)方式。50μA可以在不工作時(shí)設(shè)置為關(guān)閉以削減功耗。診斷SPI接口存放器配置表本設(shè)計(jì)的存放器配置如下〔粗體字為非缺省值，應(yīng)特別留意：地址存放器名讀寫(xiě)缺省值設(shè)置值設(shè)計(jì)說(shuō)明00hCONTROL0W000000h000000h復(fù)位后應(yīng)置000001h，以使能SPI01hLED2STCR/W000000h0017C0hLED2t1=608002hLED2ENDCR/W000000h001F3EhLED2采樣脈沖完畢點(diǎn),t2=799803hLED2LEDSTCR/W000000h001770hLED2放射脈沖起始點(diǎn),t3=600004hLED2LEDENDCR/W000000h001F3FhLED2放射脈沖完畢點(diǎn),t4=799905hALED2STCR/W000000h000050hLED2環(huán)境噪聲采樣脈沖起始點(diǎn),t5=8006hALED2ENDCR/W000000h0007CEhLED2環(huán)境噪聲采樣脈沖完畢點(diǎn),t6=199807hLED1STCR/W000000h000820hLED1t7=208008hLED1ENDCR/W000000h0009f9hLED1采樣脈沖完畢點(diǎn),t8=399909hLED1LEDSTCR/W000000h0007D0hLED1放射脈沖起始點(diǎn),t9=20230AhLED1LEDENDCR/W000000h000F9FhLED1放射脈沖完畢點(diǎn),t10=39990BhALED1STCR/W000000h000FF0hLED1環(huán)境噪聲采樣脈沖起始點(diǎn),t11=40800ChALED1ENDCR/W000000h00176EhLED1環(huán)境噪聲采樣脈沖完畢點(diǎn),t12=59980DhLED2CONVSTR/W000000h000006hLED2t13=60EhLED2CONVENDR/W000000h0007CFhLED2轉(zhuǎn)換脈沖完畢點(diǎn),t14=19990FhALED2CONVSTR/W000000h0007D6hLED2t15=202310hALED2CONVENDR/W000000h000F9FhLED2環(huán)境噪聲轉(zhuǎn)換脈沖完畢點(diǎn),t16=399911hLED1CONVSTR/W000000h000FA6hLED1t17=400612hLED1CONVENDR/W000000h00176FhLED1轉(zhuǎn)換脈沖完畢點(diǎn),t18=599913hALED1CONVSTR/W000000h001776hLED1t19=600614hALED1CONVENDR/W000000h001F3FhLED1環(huán)境噪聲轉(zhuǎn)換脈沖完畢點(diǎn),t20=799915hADCRSTSTCT0R/W000000h000000h1ADCt21=016hADCRSTENDCT0R/W000000h000005h1ADCt22=517hADCRSTSTCT1R/W000000h0007D0h2ADCt23=202318hADCRSTENDCT1R/W000000h0007D5h2ADCt24=202319hADCRSTSTCT2R/W000000h000FA0h3ADCt25=40001AhADCRSTENDCT2R/W000000h000FA5h3ADCt26=40051BhADCRSTSTCT3R/W000000h001770h4ADCt27=60001ChADCRSTENDCT3R/W000000h001775h4ADCt28=60051DhPRPCOUNTR/W000000h001F3FhPRPCOUNT=7999，PRF=4MHz/7999=500Hz1EhCONTROL1R/W000000h000302hLED2LEDPD_ALM，LED1LED沖輸出到管腳LED_ALM；定時(shí)器使能1FhSPARE1N/A000000h備用20hTIAGAINR/W000000h保存，設(shè)置互阻放大器增益21hTIA_AMB_GAINR/W000000h014100h補(bǔ)償電流1μA，其次級(jí)增益×1.5，C=5pF，F(xiàn)22hLEDCNTRLR/W000000h011F1FhR=500KFLED16mA、LED26mA23hCONTROL2R/W000000h020230hHTx/Rx/AFE24hSPARE2N/A000000h備用25hSPARE3N/A000000h備用26hSPARE4N/A000000h備用27hRESERVED1N/AXXXXh--保存28hRESERVED2N/AXXXXh--保存29hALARMR/W000000h00080h使能輸出相應(yīng)脈沖到兩個(gè)報(bào)警管腳2AhLED2VALR000000h--AD2BhALED2VALR000000h--AD2ChLED1VALR000000h--AD2DhALED1VALR000000h--AD2EhLED2-ALED2VALR000000h--紅外光-紅外光環(huán)境噪聲AD值，波形是翻轉(zhuǎn)的2FhLED1-ALED1VALR000000h--AD30hDIAGRR000000h--錯(cuò)誤診斷標(biāo)志血氧飽和度的算法AFE44006個(gè)存放器的數(shù)據(jù)可以輸出：LED2VA：ALED2VAL：LED1VA：ALED1VAL：LED1-ALED1VAL：血氧飽和度

LED2(RED)信號(hào)LED2(RED)環(huán)境噪聲LED1(IR)信號(hào)LED1(IR)環(huán)境噪聲LED2(RED)信號(hào)減去環(huán)境噪聲LED1(IR)信號(hào)