一、引言

指夾式血氧儀利用光電容積描記法（Photoplethysmography，PPG）檢測(cè)手指血液的脈搏變化，進(jìn)而計(jì)算出血氧飽和度（SpO?）和脈率。作為一款便攜式、低功耗的醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，其PCBA設(shè)計(jì)需要兼顧精密的模擬信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗運(yùn)行以及系統(tǒng)集成度等要求。本方案著眼于指夾式血氧儀在實(shí)際使用中的穩(wěn)定性、測(cè)量精度和用戶體驗(yàn)，詳細(xì)描述了從傳感器采集到數(shù)據(jù)處理顯示的全過程，并對(duì)關(guān)鍵元器件的選型進(jìn)行了詳細(xì)說明。

二、系統(tǒng)總體方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)血氧儀系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：

1. 傳感器模塊
   包括紅光和紅外LED、光電探測(cè)器（光敏二極管或集成模塊）以及相關(guān)的信號(hào)調(diào)理電路，用于采集血液脈搏信號(hào)。通常采用集成化的傳感器模塊，如MAX30102，其內(nèi)部集成了LED驅(qū)動(dòng)、低噪聲前端放大器和ADC，能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

2. 微控制器單元（MCU）
   作為系統(tǒng)的核心控制單元，用于接收傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行信號(hào)濾波、脈搏及血氧計(jì)算，并管理各外設(shè)的工作。MCU還負(fù)責(zé)控制低功耗管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以及可能的無線傳輸。

3. 電源管理模塊
   包括充電電路、電池管理、電壓轉(zhuǎn)換（如DC-DC穩(wěn)壓電路）等，確保系統(tǒng)在低功耗模式下穩(wěn)定工作。對(duì)于便攜設(shè)備，低功耗和高效率是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

4. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信模塊
   依據(jù)需求可加入短時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（EEPROM或Flash）和無線通信模塊（如藍(lán)牙BLE），便于數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5. 顯示與人機(jī)交互模塊
   可選用低功耗的OLED或LED顯示器，顯示實(shí)時(shí)血氧值和脈率信息，提供按鍵或觸摸接口實(shí)現(xiàn)基本設(shè)置調(diào)整。

下圖給出了整個(gè)系統(tǒng)的電路框圖示意：

            +----------------------+
            |      電池/電源       |
            +---------+------------+
                      |
              +-------▼--------+
              |  電源管理IC    |
              |(如TPS62840)    |
              +-------+--------+
                      |
              +-------▼--------+
              |    主供電3.3V  |
              +-------+--------+
                      |
     +----------------+----------------+
     |                |                |
+----▼----+     +-----▼------+    +----▼-----+
|  MCU    |     |  傳感器模塊 |    | 通信模塊 |
|(STM32L0|     |(MAX30102)  |    |(BLE芯片) |
|  系列)  |     +-----+------+    +----+-----+
+----+----+           |                |
     |         模擬信號(hào)調(diào)理         顯示模塊
     |           (濾波、放大)          |
+----▼----+          |              +--▼---+
|   ADC   |<---------+              | OLED |
|(集成于MCU)|                       +------+
+---------+

圖1：血氧儀系統(tǒng)總體電路框圖示意

三、關(guān)鍵元器件選型及說明

在血氧儀的PCBA設(shè)計(jì)中，每個(gè)元器件的性能和匹配度直接影響最終測(cè)量的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)穩(wěn)定性。以下詳細(xì)介紹各關(guān)鍵元器件的型號(hào)、功能、選型依據(jù)及在方案中的作用：

1. 傳感器模塊

優(yōu)選型號(hào)：MAX30102

• 器件功能：
  MAX30102是一款集成光學(xué)傳感器模塊，內(nèi)置紅光和紅外LED、光敏二極管、低噪聲前端放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，專用于測(cè)量脈搏和血氧。模塊通過I2C接口與MCU通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大與初步濾波。

• 選型原因：

• 集成度高： 減少外圍元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

• 低功耗： 專為便攜醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)，適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

• 應(yīng)用成熟： 廣泛應(yīng)用于各類脈搏與血氧測(cè)量設(shè)備，驗(yàn)證了其性能穩(wěn)定性。

• 參數(shù)匹配： 提供較高采樣精度和較低噪聲水平，有利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

另外，也可考慮后續(xù)升級(jí)到更高性能的MAX30105系列，但目前MAX30102在成本和供貨上較有優(yōu)勢(shì)。

2. 微控制器（MCU）

優(yōu)選型號(hào)：STM32L0系列（如STM32L051）

• 器件功能：
  MCU負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、用戶交互以及通信管理。STM32L0系列采用超低功耗架構(gòu)，具備豐富的外設(shè)接口（I2C、SPI、ADC、定時(shí)器等），適合需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)和實(shí)時(shí)處理的便攜設(shè)備。

• 選型原因：

• 超低功耗： 能夠在睡眠和工作模式之間高效切換，延長(zhǎng)電池壽命。

• 集成接口豐富： 便于集成傳感器模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)器及通信模塊。

• 生態(tài)完善： 軟件開發(fā)工具鏈成熟，便于快速開發(fā)與調(diào)試。

3. 模擬信號(hào)調(diào)理電路

主要組成：低噪聲放大器（LNA）、濾波器

• 常用元器件：

• 運(yùn)算放大器： 如OPA2333、MCP6002等低噪聲、低功耗運(yùn)算放大器，用于對(duì)傳感器采集的微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。

• 濾波元件： RC網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器，用于去除高頻噪聲和干擾。

• 選型原因：

• 高精度與低噪聲： 放大器要求輸入偏置低、噪聲小，以保證信號(hào)完整性。

• 低功耗： 符合整體系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求。

• 匹配性好： 與MAX30102輸出信號(hào)匹配，避免信號(hào)失真。

4. 電源管理模塊

優(yōu)選型號(hào)：TPS62840（低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器）與MCP73831（鋰電池充電管理IC）

• 器件功能：

• TPS62840： 用于將電池電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為3.3V主供電，具有極低靜態(tài)功耗，適合便攜式設(shè)備。

• MCP73831： 提供鋰電池充電保護(hù)和管理，確保電池充放電安全。

• 選型原因：

• 高轉(zhuǎn)換效率： 保證電池能量最大化利用，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間。

• 保護(hù)功能完善： 內(nèi)置過充、過放、短路等保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備和用戶安全。

• 應(yīng)用成熟： 市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備，穩(wěn)定性好。

5. 通信模塊

優(yōu)選型號(hào)：藍(lán)牙低功耗(BLE)芯片，如Nordic nRF52832或集成BLE的MCU

• 器件功能：
  實(shí)現(xiàn)設(shè)備與智能手機(jī)或其他終端的無線數(shù)據(jù)傳輸，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。

• 選型原因：

• 低功耗： 適合長(zhǎng)期無線通信需求，且能與主控MCU協(xié)同低功耗策略。

• 集成度高： 部分芯片可直接替代獨(dú)立MCU，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。

• 生態(tài)完善： 提供成熟的軟件協(xié)議棧和開發(fā)支持。

6. 顯示模塊

優(yōu)選型號(hào)：低功耗OLED顯示屏（如0.96英寸OLED模塊）

• 器件功能：
  用于顯示當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)（血氧值、脈率）、狀態(tài)提示和菜單界面。

• 選型原因：

• 功耗低、對(duì)比度高： OLED顯示屏適合低功耗設(shè)備，并且在室內(nèi)外環(huán)境中均能清晰顯示。

• 接口簡(jiǎn)單： 通常支持I2C或SPI接口，便于MCU驅(qū)動(dòng)。

• 尺寸合適： 小尺寸、輕量化設(shè)計(jì)符合指夾設(shè)備對(duì)體積的要求。

7. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

優(yōu)選型號(hào)：SPI Flash或內(nèi)置EEPROM

• 器件功能：
  用于保存歷史測(cè)量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置以及固件升級(jí)所需的存儲(chǔ)空間。

• 選型原因：

• 容量適中： 根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求選擇合適容量。

• 穩(wěn)定性好： 數(shù)據(jù)保存可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

• 接口成熟： SPI接口便于與MCU通信，編程簡(jiǎn)單。

四、電路原理圖設(shè)計(jì)

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，需要將上述各模塊進(jìn)行合理集成，確保信號(hào)傳輸完整、干擾最小以及功耗控制得當(dāng)。下面給出一個(gè)較為詳細(xì)的原理圖說明，便于理解各模塊的連接關(guān)系。

4.1 供電部分

• 電池接口： 采用3.7V鋰電池作為主要電源，通過MCP73831進(jìn)行充電管理。電池正極通過保險(xiǎn)絲保護(hù)后連接到TPS62840 DC-DC轉(zhuǎn)換器。

• 穩(wěn)壓電路： TPS62840將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為整個(gè)系統(tǒng)提供主供電，同時(shí)具備極低待機(jī)功耗特性。

4.2 MCU與外設(shè)接口

• MCU（STM32L0系列）：

• 內(nèi)部ADC通道連接至傳感器模塊的模擬信號(hào)輸出（若需要額外信號(hào)調(diào)理）。

• I2C總線連接至MAX30102傳感器模塊、OLED顯示屏以及EEPROM模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

• SPI總線（或其它接口）用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或通信模塊（如BLE模塊）。

• 多個(gè)GPIO口用于控制LED指示燈、按鍵輸入等。

4.3 傳感器模塊

• MAX30102模塊：

• 模塊電源通過3.3V穩(wěn)壓電源供電。

• I2C接口連接至MCU，傳輸采集數(shù)據(jù)。

• 附加外部濾波電容及小型共模電感，可減少電源噪聲對(duì)傳感器精度的影響。

4.4 模擬信號(hào)調(diào)理電路

• 低噪聲前置放大器：

• 選用OPA2333等低噪聲運(yùn)算放大器，接在傳感器的模擬信號(hào)輸出端，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行初步放大。

• 采用精密RC濾波器，設(shè)定截止頻率在0.5Hz~5Hz之間，正好覆蓋脈搏信號(hào)的頻率范圍，過濾高頻噪聲。

4.5 通信模塊與顯示模塊

• 藍(lán)牙BLE模塊：

• 若MCU內(nèi)置BLE模塊則直接調(diào)用相關(guān)接口；如外置，則采用SPI/I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

• 模塊布局上應(yīng)避免與高頻電路靠得太近，以防電磁干擾。

• OLED顯示屏：

• 通過I2C總線連接至MCU。

• 顯示驅(qū)動(dòng)電路需加入相應(yīng)的旁路電容和抗干擾濾波網(wǎng)絡(luò)，確保顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定更新。

4.6 電路框圖示意

綜合上述各部分，下面給出較詳細(xì)的電路框圖示意（圖中各模塊功能對(duì)應(yīng)前述說明）：

         [ 鋰電池 ]
             │
        ┌────▼────┐
        │ MCP73831│
        └────┬────┘
             │
       ┌─────▼──────┐
       │ TPS62840   │   3.3V輸出
       └─────┬──────┘
             │
    ┌────────┼────────┐
    │        │        │
┌───▼───┐ ┌──▼────┐  ┌▼─────┐
│  MCU  │ │  MAX30102│  │ BLE │
│(STM32L0)│ │ (傳感器)│  │模塊│
└─┬───┬─┘ └───┬────┘  └┬─────┘
  │   │        │        │
  │   │        └────┐   │
  │   │             │   │
  │   │          I2C總線│
  │   │             │   │
  │   └─────────┐   │   │
  │             │   │   │
  │        ┌────▼────▼────▼─────┐
  │        │     OLED顯示屏     │
  │        └────────────────────┘
  │
  │ 外部擴(kuò)展：SPI Flash / EEPROM
  └─────────────────────────────

圖2：詳細(xì)電路框圖示意

各模塊間的連接均通過低阻抗走線和適當(dāng)?shù)呐月冯娙葸M(jìn)行電源濾波，確保電磁兼容性（EMC）及信號(hào)穩(wěn)定性。在PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，要注意模擬信號(hào)路徑和數(shù)字信號(hào)路徑分離，盡量減少串?dāng)_和干擾對(duì)采樣信號(hào)的影響。

五、設(shè)計(jì)關(guān)鍵注意事項(xiàng)與優(yōu)化建議

1. 信號(hào)完整性與抗干擾設(shè)計(jì)：

• 模擬信號(hào)傳輸通路應(yīng)采用屏蔽走線，并加裝旁路電容；敏感元件周圍保持合適的地平面布局。

• 電源部分建議在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加入多級(jí)濾波電容，減少電源噪聲對(duì)ADC采樣精度的影響。

2. 低功耗設(shè)計(jì)：

• MCU采用睡眠模式和中斷喚醒設(shè)計(jì)；無線通信模塊在非數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

• 電源管理IC選用高效率器件，確保系統(tǒng)在待機(jī)與工作模式下功耗都能得到優(yōu)化。

3. 溫度與校準(zhǔn)補(bǔ)償：

• 血氧測(cè)量對(duì)溫度較為敏感，建議在系統(tǒng)中增加溫度傳感器，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正。

• 定期進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，確保長(zhǎng)期使用中數(shù)據(jù)精度保持穩(wěn)定。

4. PCB布局與EMI控制：

• 模擬和數(shù)字區(qū)域盡量分區(qū)布置，防止互相干擾。

• 高頻數(shù)字信號(hào)走線應(yīng)控制阻抗匹配，保證信號(hào)完整傳輸；同時(shí)為無線模塊預(yù)留足夠空間，避免金屬屏蔽干擾信號(hào)輻射。

5. 固件與數(shù)據(jù)處理算法：

• 在MCU端，采用濾波、平均及動(dòng)態(tài)校正算法，降低噪聲對(duì)脈搏信號(hào)計(jì)算的干擾。

• 實(shí)現(xiàn)血氧計(jì)算時(shí)，可參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法，確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

六、總結(jié)

本方案詳細(xì)描述了指夾式血氧儀PCBA的設(shè)計(jì)思路，從系統(tǒng)總體方案、各模塊功能、關(guān)鍵元器件的選型依據(jù)，到最終電路框圖的構(gòu)建，都做了充分的說明。優(yōu)選的關(guān)鍵元器件主要包括：

• MAX30102傳感器模塊： 集成LED、光電二極管及信號(hào)前端電路，實(shí)現(xiàn)高精度光電測(cè)量；

• STM32L0系列MCU： 低功耗、集成豐富外設(shè)，擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)采集、處理及通信任務(wù)；

• TPS62840與MCP73831： 分別負(fù)責(zé)低功耗穩(wěn)壓與安全充電管理，確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定；

• 藍(lán)牙BLE模塊與OLED顯示屏： 分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸和用戶友好的人機(jī)交互界面；

• 低噪聲前置放大器及濾波電路： 確保信號(hào)完整性，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供高質(zhì)量采樣數(shù)據(jù)。

整個(gè)方案在保證精度、穩(wěn)定性與低功耗的前提下，兼顧了系統(tǒng)集成和模塊化設(shè)計(jì)，使得指夾式血氧儀具備可靠的數(shù)據(jù)采集能力、優(yōu)異的用戶體驗(yàn)以及較長(zhǎng)的續(xù)航能力。后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)部分模塊進(jìn)行二次優(yōu)化，譬如在通信模塊中加入更豐富的BLE協(xié)議支持，或者對(duì)顯示模塊進(jìn)行圖形界面優(yōu)化。

通過合理的電路設(shè)計(jì)和元器件選型，該P(yáng)CBA方案不僅滿足臨床監(jiān)測(cè)要求，同時(shí)具備較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，為便攜式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了良好的技術(shù)支持。