基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設(shè)計(jì)方案

一、引言

指夾式血氧儀是一種通過(guò)測(cè)量手指末端血液中的血氧飽和度（SpO2）和心率（PR）等生理參數(shù)的醫(yī)療設(shè)備。其工作原理基于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）對(duì)紅光（660nm）和紅外線（900nm）的不同吸收特性。本文詳細(xì)介紹了一種基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設(shè)計(jì)方案，涵蓋了硬件設(shè)計(jì)思路、軟件實(shí)現(xiàn)方法以及主要性能指標(biāo)。

二、主控芯片選型及作用

1. 主控芯片型號(hào)

在本設(shè)計(jì)方案中，我們選擇了武漢芯源半導(dǎo)體出品的CW32L系列低功耗MCU作為主控芯片。具體型號(hào)包括CW32L031C8T6和CW32L010系列。

• CW32L031C8T6：該芯片集成了主頻高達(dá)48MHz的ARM Cortex-M0+內(nèi)核，具有64KB Flash和8KB SRAM，支持多種通信接口（如UART、SPI、I2C）以及豐富的外設(shè)資源（如定時(shí)器、PWM、ADC等）。

• CW32L010系列：該系列同樣基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核，提供了64K Flash和4K SRAM的存儲(chǔ)空間，支持二路UART、一路SPI和一路I2C等通信接口，以及12位高速ADC等外設(shè)。

2. 主控芯片的作用

主控芯片在指夾式血氧儀中起著至關(guān)重要的作用，主要包括以下幾個(gè)方面：

• 數(shù)據(jù)處理與控制：MCU負(fù)責(zé)接收來(lái)自光電傳感器的模擬信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后處理這些數(shù)據(jù)以計(jì)算出血氧飽和度和心率等生理參數(shù)。同時(shí)，MCU還負(fù)責(zé)控制LED光源的發(fā)射時(shí)序和功率，以及顯示屏的顯示內(nèi)容和報(bào)警提示等。

• 通信接口：MCU提供了多種通信接口，如UART、SPI、I2C等，這些接口可用于與外部設(shè)備（如上位機(jī)、藍(lán)牙模塊等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和存儲(chǔ)。

• 低功耗管理：MCU支持低功耗模式，如待機(jī)模式、深度睡眠模式等，有助于降低血氧儀的整機(jī)功耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

• 系統(tǒng)可靠性：MCU具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)資源，能夠確保血氧儀在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作，提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果。

三、硬件設(shè)計(jì)思路

1. 電源設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)支持USB外接供電、電池供電以及電池充電功能。整體架構(gòu)包括電源路徑管理及電池充電電路、5V供電電路和3.3V供電電路三個(gè)部分。

• 電源路徑管理：采用P-MOS作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)G端電壓與S端電壓關(guān)系，實(shí)現(xiàn)USB供電與電池供電的動(dòng)態(tài)切換功能。

• 電池充電電路：采用TC4056A芯片作為主控，依托其可編程充電電流控制、充電狀態(tài)指示等功能，實(shí)現(xiàn)單節(jié)鋰電池充電功能。USB接口增加過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)，防止插入瞬間尖峰電壓對(duì)后級(jí)電路的沖擊。

• 5V供電電路：采用MT3608芯片搭建Sepic電路，確保在電池電壓下降時(shí)也能穩(wěn)定提供5V電壓。

• 3.3V供電電路：采用AMS1117-3.3芯片構(gòu)建LDO降壓電路，穩(wěn)定提供3.3V電壓。

2. 主控板設(shè)計(jì)

主控板包括MCU電路、發(fā)射電路、接收電路、按鍵電路、蜂鳴器電路和TFT顯示屏電路等六個(gè)部分。

• MCU電路：采用CW32L031C8T6作為主控芯片，設(shè)計(jì)BOOT電路、SWD燒錄接口及復(fù)位按鈕（不焊接），受空間限制，取消外部晶振電路。

• 發(fā)射電路：采用“RS2105+RS622”設(shè)計(jì)方案。由RS2105電子開(kāi)關(guān)芯片構(gòu)成雙路開(kāi)關(guān)電路，用于控制發(fā)射時(shí)序；由RS622芯片所包含的兩路運(yùn)算放大器搭配N溝道MOS管形成恒流源電路，通過(guò)PWM信號(hào)控制電流大小，以實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射信號(hào)強(qiáng)弱的目的。采用“660nm紅光+900nm紅外光”的雙波長(zhǎng)發(fā)射管，內(nèi)部反向并聯(lián)連接，通過(guò)上述H橋電路控制發(fā)射時(shí)序和發(fā)射功率。

• 接收電路：采用RS622雙路運(yùn)放芯片作為核心。前級(jí)與200KΩ電阻及電容構(gòu)成跨阻放大電路，采集并放大“直流+交流”混合信號(hào)；前后級(jí)之間通過(guò)電容耦合，并與電阻構(gòu)成高通濾波器，有效濾除直流信號(hào)。

• 按鍵電路：采用1mm超薄按鍵，通過(guò)并聯(lián)電容構(gòu)成硬件消抖電路，通過(guò)電阻接入MCU的PB03引腳，按鍵按下為低電平（低電平有效）。

• 蜂鳴器電路（當(dāng)前版本PCB受空間限制已取消）：采用2KHz無(wú)源蜂鳴器作為核心元件，以N溝道MOS管作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)輸出一定頻率的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。

• TFT顯示屏電路：用于驅(qū)動(dòng)0.96寸全彩LCD顯示屏。設(shè)計(jì)8P抽屜式下接FPC接口，用于連接帶軟排線接口的顯示屏。同時(shí)以PNP三極管作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)MCU輸出一定占空比的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)屏幕背光控制。

3. 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器部分主要包括紅光LED和紅外線LED燈以及光電二極管。在設(shè)備的同一位置設(shè)置紅光LED和紅外線LED燈，當(dāng)光線從手指的一面穿透到另一面時(shí)，光電二極管接收兩種血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收的區(qū)別，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)比例的電壓信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后送入MCU進(jìn)行處理。

四、軟件設(shè)計(jì)思路

1. 初始化配置

在軟件設(shè)計(jì)中，首先需要對(duì)MCU進(jìn)行初始化配置，包括時(shí)鐘配置、外設(shè)初始化（如ADC、UART、PWM等）、中斷配置等。

2. 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集部分主要通過(guò)ADC采集光電二極管輸出的模擬信號(hào)，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后，通過(guò)算法處理這些數(shù)據(jù)以計(jì)算出血氧飽和度和心率等生理參數(shù)。算法部分可以采用FFT（快速傅里葉變換）等信號(hào)處理算法來(lái)提高測(cè)量精度。

3. 顯示與報(bào)警

測(cè)量結(jié)果通過(guò)TFT顯示屏進(jìn)行顯示，包括血氧飽和度、心率等參數(shù)。同時(shí)，可以設(shè)置報(bào)警功能，當(dāng)測(cè)量值超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，通過(guò)蜂鳴器或顯示屏進(jìn)行提示。

4. 低功耗管理

為了實(shí)現(xiàn)低功耗管理，可以在MCU中配置低功耗模式，如待機(jī)模式、深度睡眠模式等。在不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示時(shí)，將MCU切換到低功耗模式以降低整機(jī)功耗。

五、主要性能指標(biāo)

1. 血氧飽和度測(cè)量范圍：70%~100%，精度±1%。

2. 心率測(cè)量范圍：30~250bpm，精度±1bpm或±1%取大值。

3. 顯示方式：0.96inch TFT彩屏顯示。

4. 供電方式：鋰電池供電，可充電。

5. 低功耗性能：待機(jī)模式下功耗極低。

6. 測(cè)量時(shí)間：85s快速出測(cè)量結(jié)果。

7. 報(bào)警功能：血氧飽和度和脈率超限報(bào)警。

8. 其他功能：無(wú)手指自動(dòng)關(guān)機(jī)、電池電量報(bào)警以及電池電量低自動(dòng)關(guān)機(jī)等。

六、總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了一種基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設(shè)計(jì)方案。該方案采用CW32L031C8T6或CW32L010系列MCU作為主控芯片，結(jié)合紅光和紅外線傳感器進(jìn)行血氧飽和度和心率的測(cè)量。硬件設(shè)計(jì)部分包括電源設(shè)計(jì)、主控板設(shè)計(jì)和傳感器設(shè)計(jì)等部分；軟件設(shè)計(jì)部分則涵蓋了初始化配置、數(shù)據(jù)采集與處理、顯示與報(bào)警以及低功耗管理等功能。該方案具有測(cè)量精度高、功耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，適用于家庭、醫(yī)院等多種場(chǎng)合的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)。