基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設(shè)計方案

一、方案概述

指夾式血氧儀是一種基于光電容積脈搏波描記法（PPG）的便攜式醫(yī)療設(shè)備，廣泛應(yīng)用于家庭健康監(jiān)測、醫(yī)院臨床輔助以及運動健康管理等場景。本文提出的設(shè)計方案采用CW32L系列低功耗微控制器作為核心處理單元，配合高精度光電傳感器、OLED顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊及電源管理模塊等關(guān)鍵電路，構(gòu)建一個低功耗、高性能、便攜式的指夾式血氧儀系統(tǒng)。

二、核心控制器件：CW32L系列MCU

優(yōu)選型號：CW32L031F6PU

器件作用：CW32L系列MCU是系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行血氧和脈率的計算處理、驅(qū)動顯示屏和藍(lán)牙通信模塊，實現(xiàn)整機(jī)控制。

選擇理由：CW32L031F6PU基于Arm Cortex-M0+內(nèi)核，具有低功耗特性，支持豐富的外設(shè)接口（I2C、SPI、USART、ADC等），同時具有較小的封裝和適中的價格，非常適合便攜式健康設(shè)備的應(yīng)用。

器件功能：內(nèi)置12位高精度ADC、定時器、低功耗休眠模式和快速喚醒機(jī)制，能有效保障電池供電設(shè)備的運行時間，確保系統(tǒng)在持續(xù)監(jiān)測時功耗控制良好。

三、光電傳感器模塊

優(yōu)選型號：MAX30102

器件作用：用于檢測人體手指中血液對不同波長光的吸收，輸出紅光和紅外光的反射信號，從而進(jìn)行血氧飽和度（SpO2）和脈搏的測量。

選擇理由：MAX30102集成紅外和紅光LED、光電探測器、信號處理和數(shù)字接口于一體，具有低功耗、小尺寸、高靈敏度的優(yōu)點，適合穿戴式健康監(jiān)測。

器件功能：通過內(nèi)置的模擬前端與ADC進(jìn)行信號采集和預(yù)處理，輸出數(shù)字化PPG信號，可直接通過I2C與MCU通信，提高系統(tǒng)集成度和可靠性。

四、顯示模塊

優(yōu)選型號：SSD1306 0.96寸OLED模塊（I2C接口）

器件作用：用于實時顯示血氧飽和度、心率及電量信息，提升用戶交互體驗。

選擇理由：OLED屏幕對比度高、功耗低、顯示內(nèi)容清晰，SSD1306控制芯片支持I2C通信，與CW32L系列MCU兼容性良好，驅(qū)動簡便。

器件功能：支持128×64像素圖形顯示，能夠以圖形化方式展示心率曲線、數(shù)值信息，具備較高的顯示自由度與用戶體驗。

五、藍(lán)牙通信模塊

優(yōu)選型號：JDY-08（基于BLE4.0）

器件作用：實現(xiàn)設(shè)備與手機(jī)App之間的數(shù)據(jù)傳輸，便于用戶遠(yuǎn)程查看測量數(shù)據(jù)及歷史記錄。

選擇理由：JDY-08支持低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議，具有體積小、易配置、兼容性好等優(yōu)勢，適合移動健康類產(chǎn)品。

器件功能：通過串口與MCU通信，支持BLE廣播和連接傳輸，兼容安卓和iOS平臺上的主流健康管理App協(xié)議棧。

六、電源管理模塊

優(yōu)選型號：TP4056（帶保護(hù)功能的鋰電池充電管理芯片）+ XC6206P332MR（LDO穩(wěn)壓芯片）

器件作用：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電壓，實現(xiàn)鋰電池的安全充電和穩(wěn)壓輸出。

選擇理由：TP4056具有完整的鋰電池充電管理功能，帶有過壓、過流、過溫保護(hù)電路；XC6206輸出穩(wěn)定，適合為核心MCU與傳感器供電。

器件功能：TP4056支持通過USB接口進(jìn)行鋰電池充電，帶有充電指示功能；XC6206穩(wěn)定輸出3.3V電壓，為CW32L和其他模塊提供穩(wěn)定供電。

七、電路框圖說明

八、信號處理與算法模塊

在CW32L031中集成血氧和脈搏算法模塊。通過獲取MAX30102的紅光和紅外光信號并分別進(jìn)行低通濾波、心率檢測、SpO2比值計算等步驟，采用浮點或定點算法實時計算輸出值。該處理由MCU完成，無需外部DSP芯片，節(jié)省成本與功耗。信號算法中使用峰值檢測來分析心率波形周期，并依據(jù)吸收光比值計算SpO2。為了提升魯棒性，系統(tǒng)會在不同的環(huán)境光條件和運動狀態(tài)下自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)。

在CW32L031 MCU中實現(xiàn)完整的血氧和脈搏計算算法模塊，系統(tǒng)主要基于MAX30102傳感器輸出的紅光與紅外光PPG信號，執(zhí)行多級數(shù)字信號處理和生理參數(shù)計算。該模塊可劃分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、信號濾波、特征提取、參數(shù)計算與異常判斷五大步驟，構(gòu)建一套適應(yīng)性強(qiáng)、實時性高、資源占用低的嵌入式算法體系。

1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理

• 使用I2C接口高速讀取MAX30102輸出FIFO數(shù)據(jù)，并將其緩存在環(huán)形緩沖區(qū)中。

• 實施動態(tài)基線校正技術(shù)（Baseline Wander Removal），消除因環(huán)境溫度、光線變化及手指位置引起的DC偏移。

• 引入滑動窗口平均處理初步抑制瞬時毛刺干擾。

2. 信號濾波

• 采用IIR低通濾波器（截止頻率≈3Hz）濾除高頻噪聲，提高心率波形平滑性。

• 增設(shè)可選帶通濾波器（0.5Hz~4Hz），用于隔離典型心率頻段內(nèi)的有效信號，特別適合運動狀態(tài)下使用。

• 在濾波器系數(shù)設(shè)計中采用定點Q15表示，降低對MCU浮點運算能力的依賴。

3. 特征提取與心率檢測

• 使用快速一階微分法檢測PPG信號上升沿，結(jié)合閾值門限實現(xiàn)峰值提取。

• 引入脈搏間期（IBI，Inter-Beat Interval）計算，基于檢測到的多個脈沖波峰之間的時間間隔，確定心率（HR = 60 / 平均IBI）。

• 為避免假峰干擾，采用峰值確認(rèn)機(jī)制（如振幅與幅度梯度聯(lián)合判斷）提升檢測準(zhǔn)確率。

4. SpO2計算方法

• 基于紅光與紅外光信號的AC/DC成分比值，計算吸光比率R（R = (AC_red/DC_red) / (AC_ir/DC_ir)）。

• 使用經(jīng)驗擬合公式推導(dǎo)SpO2值（如 SpO2 = 110 - 25 × R），其中擬合系數(shù)基于臨床實驗數(shù)據(jù)設(shè)定。

• 支持實時動態(tài)校準(zhǔn)，根據(jù)歷史值平滑更新R，提高在運動狀態(tài)和暗光環(huán)境下的穩(wěn)定性。

5. 異常檢測與信號質(zhì)量評價

• 增設(shè)信號質(zhì)量評分機(jī)制（Signal Quality Index, SQI），根據(jù)波形周期性、幅度穩(wěn)定性、噪聲比等參數(shù)評估信號可信度。

• 當(dāng)SQI低于設(shè)定閾值時，暫停SpO2與心率更新，并在OLED界面提示用戶調(diào)整手指姿態(tài)。

• 實施錯誤檢測標(biāo)志（如信號丟失、數(shù)據(jù)飽和等）輸出，便于后端App做容錯處理。

6. 功耗優(yōu)化與執(zhí)行策略

• 算法執(zhí)行采用雙緩存方式，與傳感器采樣任務(wù)解耦，提高數(shù)據(jù)處理效率。

• 主循環(huán)中僅在數(shù)據(jù)有效并達(dá)到更新閾值時才觸發(fā)完整計算流程，降低處理器負(fù)載。

• 在不活動時段關(guān)閉不必要外設(shè)并進(jìn)入STOP模式，由定時器或外部中斷喚醒，提高整體電池續(xù)航能力。

九、外殼結(jié)構(gòu)與人機(jī)交互設(shè)計

采用ABS塑料注塑成型的指夾結(jié)構(gòu)，搭配軟硅膠襯墊，提高佩戴舒適性與測量穩(wěn)定性。外殼設(shè)計符合人體工學(xué)，方便用戶單手操作，且可適配不同手指粗細(xì)。顯示界面采用高亮OLED屏幕并輔以單按鍵操控邏輯，用戶短按可切換顯示頁面，長按則觸發(fā)藍(lán)牙配對，操作直觀，學(xué)習(xí)成本低，適合所有年齡段用戶。外殼預(yù)留充電口和散熱孔，確保長時間使用下的設(shè)備安全性與穩(wěn)定性。

十、系統(tǒng)軟件設(shè)計簡述

CW32L MCU固件開發(fā)可采用Keil或IAR平臺，使用官方提供的HAL庫驅(qū)動各外設(shè)模塊。主程序采用狀態(tài)機(jī)框架，實現(xiàn)以下功能模塊：

1. 系統(tǒng)初始化：完成時鐘、GPIO、ADC、I2C、UART、定時器等外設(shè)初始化；

2. 傳感器數(shù)據(jù)采集與處理：周期性啟動ADC采集任務(wù)，讀取PPG數(shù)據(jù)并計算SpO2和心率；

3. 顯示刷新與用戶按鍵響應(yīng)：定時更新OLED顯示內(nèi)容，響應(yīng)用戶按鍵進(jìn)行功能切換；

4. 藍(lán)牙連接與數(shù)據(jù)上傳：檢測JDY-08連接狀態(tài)并將數(shù)據(jù)通過BLE推送至App；

5. 睡眠喚醒管理：在無操作及無采樣狀態(tài)下進(jìn)入STOP低功耗模式，按鍵或中斷觸發(fā)喚醒。