基于STM32單片機的血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

在當今快速發(fā)展的醫(yī)療健康領域，便攜式、實時監(jiān)測設備的需求日益增長。血氧飽和度（SpO2）和心率（Pulse Rate）是反映人體生理狀況的關鍵指標，對疾病的早期預警、康復監(jiān)測以及日常健康管理具有重要意義。傳統(tǒng)的血氧心率監(jiān)測設備多為醫(yī)院專用，體積較大，操作復雜。因此，設計一款基于STM32單片機的便攜式、高精度、低功耗的血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能滿足個人及家庭健康監(jiān)測的需求，也能為遠程醫(yī)療和智慧養(yǎng)老提供技術支撐。本設計方案將詳細闡述系統(tǒng)的整體架構(gòu)、核心硬件選型、軟件設計思路以及關鍵技術實現(xiàn)，旨在構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)異的血氧心率監(jiān)測平臺。

本系統(tǒng)以意法半導體（STMicroelectronics）的STM32系列微控制器為核心，利用其強大的處理能力、豐富的外設接口以及低功耗特性，實現(xiàn)對血氧和心率信號的精確采集、處理、分析與顯示。系統(tǒng)將采用光電透射法原理測量血氧和心率，該方法無創(chuàng)、操作簡便，廣泛應用于各類脈搏血氧儀。通過精心選擇傳感器、模擬前端電路、電源管理模塊以及顯示和通信模塊，確保系統(tǒng)在測量精度、功耗控制和用戶體驗之間達到最佳平衡。

1. 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

基于STM32單片機的血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾個功能模塊組成：信號采集模塊、模擬前端處理模塊、微控制器核心處理模塊、電源管理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和通信模塊。這些模塊協(xié)同工作，共同完成血氧和心率數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和傳輸。

信號采集模塊是系統(tǒng)的“眼睛”，負責獲取人體脈搏波信號。它通常由紅光LED、紅外光LED以及光電探測器組成。紅光（約660nm）和紅外光（約940nm）是測量血氧的關鍵波長，因為含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對這兩種波長的吸收率差異較大。光電探測器則用于接收穿透人體組織后的光信號。

模擬前端處理模塊是連接傳感器和微控制器的橋梁。由于光電探測器輸出的信號通常非常微弱且易受噪聲干擾，因此需要經(jīng)過一系列的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）等處理，將其轉(zhuǎn)換為微控制器可以識別的數(shù)字信號。這個模塊的性能直接關系到整個系統(tǒng)的測量精度和抗干擾能力。

微控制器核心處理模塊是系統(tǒng)的“大腦”，負責協(xié)調(diào)和控制各個模塊的工作。它接收來自模擬前端的數(shù)字信號，執(zhí)行復雜的算法（如脈搏波擬合、血氧飽和度計算、心率計算等），并控制顯示模塊顯示結(jié)果，同時通過通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部設備。STM32系列微控制器以其高性能、低功耗和豐富的外設，成為理想的選擇。

電源管理模塊為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定可靠的電源。由于是便攜式設備，電池供電是首選，因此電源管理模塊需要具備高效的升降壓、充電管理以及低功耗設計能力，以延長設備續(xù)航時間。

顯示模塊負責直觀地向用戶展示測量結(jié)果，包括血氧飽和度百分比、心率數(shù)值、脈搏波形等。常見的顯示屏有OLED或TFT LCD，它們具有功耗低、對比度高、顯示清晰等優(yōu)點。

數(shù)據(jù)存儲模塊（可選）用于存儲歷史測量數(shù)據(jù)，方便用戶回顧健康趨勢。這可以通過微控制器內(nèi)部的Flash存儲器或外部的EEPROM/NAND Flash實現(xiàn)。

通信模塊用于實現(xiàn)系統(tǒng)與外部設備的連接，如智能手機、PC或其他物聯(lián)網(wǎng)平臺。常見的通信方式包括藍牙（Bluetooth Low Energy, BLE）、Wi-Fi或USB，BLE因其低功耗特性而廣受歡迎。

2. 核心元器件選型與作用分析

在血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)中，元器件的選擇直接影響到系統(tǒng)的性能、功耗、成本和可靠性。以下詳細闡述各個關鍵元器件的選型及其在系統(tǒng)中的作用和選擇理由。

2.1 微控制器（MCU）

優(yōu)選元器件型號：STM32L476RG

器件作用： 作為整個系統(tǒng)的中央處理器，負責采集信號、執(zhí)行信號處理算法（如FIR/IIR濾波、FFT變換等）、血氧飽和度（SpO2）和心率（Pulse Rate）的計算、驅(qū)動顯示屏、管理電源以及進行數(shù)據(jù)通信等。它協(xié)調(diào)并控制所有外設和功能模塊，是系統(tǒng)的核心。

為什么選擇這顆元器件：

• 低功耗特性： STM32L4系列是ST公司專為低功耗應用設計的微控制器，擁有多種低功耗模式（如停止模式、待機模式、關斷模式等），非常適合電池供電的便攜式醫(yī)療設備。在血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)中，低功耗是延長續(xù)航時間的關鍵指標。STM32L476RG在運行模式下的功耗表現(xiàn)優(yōu)異，同時支持快速喚醒，能在不使用時進入超低功耗狀態(tài)，最大程度地節(jié)省電量。

• 高性能處理能力： 搭載ARM Cortex-M4F內(nèi)核，主頻高達80MHz，并集成了浮點運算單元（FPU），能夠高效處理復雜的數(shù)字信號處理算法，如FIR/IIR濾波、快速傅里葉變換（FFT）以及血氧飽和度計算所需的矩陣運算等。這確保了測量結(jié)果的實時性和準確性。

• 豐富的外設接口： STM32L476RG集成了多個高性能ADC（12位，最高5Msps）、多個DAC、SPI、I2C、USART、USB FS等豐富的外設接口。這些接口能方便地連接光電傳感器（通過ADC）、顯示屏（通過SPI/FSMC）、藍牙模塊（通過USART）以及用于調(diào)試或數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口，極大地簡化了硬件設計。

• 大容量存儲器： 擁有1MB Flash和128KB SRAM，足以存儲復雜的固件程序、算法代碼、歷史數(shù)據(jù)以及運行時變量。大容量的SRAM對于處理實時信號數(shù)據(jù)尤其重要，可以避免頻繁訪問外部存儲器，提高系統(tǒng)響應速度。

• 內(nèi)置DAC： 內(nèi)置的12位DAC可以用于產(chǎn)生驅(qū)動LED的模擬電壓，或者在某些高級應用中用于自校準或測試。

• 易于開發(fā)： STM32生態(tài)系統(tǒng)成熟，擁有豐富的開發(fā)工具（STM32CubeMX、Keil MDK、IAR EWARM等）、大量的應用筆記和活躍的社區(qū)支持，能夠大大縮短開發(fā)周期。

元器件的功能：

• A/D轉(zhuǎn)換控制： 控制內(nèi)置的高精度ADC對模擬前端處理后的血氧光信號進行數(shù)字化，將其轉(zhuǎn)換為微控制器可處理的數(shù)字信號。

• 數(shù)字信號處理： 運行各種數(shù)字濾波算法（如帶通濾波、陷波濾波）去除噪聲，對脈搏波形進行平滑處理，提取有效的AC/DC分量。

• 血氧飽和度與心率計算： 根據(jù)朗伯-比爾定律的經(jīng)驗公式，結(jié)合紅光和紅外光的吸收比率，計算血氧飽和度。同時，通過分析脈搏波形的周期或峰值檢測來計算心率。

• 人機交互與顯示驅(qū)動： 控制OLED/LCD顯示屏顯示測量結(jié)果（SpO2值、心率值、脈搏波形圖等），并響應用戶按鍵操作。

• 數(shù)據(jù)通信： 通過UART接口與藍牙模塊通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至手機APP；或通過USB接口與PC進行數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)升級。

• 電源管理與模式切換： 根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，切換不同的功耗模式，最大限度地節(jié)省電量。

• 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控： 監(jiān)控電池電量、傳感器連接狀態(tài)等，并進行相應的錯誤處理或提示。

2.2 光電傳感器

優(yōu)選元器件型號：MAX30102 或 MAX30101

器件作用： 作為系統(tǒng)的核心傳感器，MAX30102是一款集成式脈搏血氧和心率傳感器模塊，其內(nèi)部集成了紅光LED、紅外光LED、光電探測器、以及一個低噪聲模擬前端和19位ADC。它能夠直接輸出經(jīng)過預處理的數(shù)字信號，大大簡化了外圍電路設計。

為什么選擇這顆元器件：

• 高度集成： MAX30102將LED、PD、模擬前端、ADC、以及I2C通信接口集成在一個小尺寸封裝中，極大地簡化了硬件設計，減少了PCB面積和BOM成本，并降低了噪聲干擾。這對于小型化、便攜式設備至關重要。

• 高精度與高信噪比： 內(nèi)部的19位ADC提供了極高分辨率的信號采集能力，結(jié)合其優(yōu)化的模擬前端設計，能夠有效抑制環(huán)境光干擾，提供高信噪比的脈搏波形數(shù)據(jù)，從而保證血氧和心率測量的準確性。

• 低功耗： 該芯片專為可穿戴設備設計，具有超低功耗特性，在休眠模式下功耗極低，有助于延長電池壽命。在測量模式下，它也能夠通過可編程的LED電流和采樣率來優(yōu)化功耗。

• 易于編程： 通過標準的I2C接口與微控制器通信，讀取原始ADC數(shù)據(jù)，編程控制其工作模式、LED電流、采樣率、脈沖寬度等參數(shù)非常方便。

• 環(huán)境光抑制： 內(nèi)部集成了環(huán)境光抑制電路，能夠有效減少陽光或室內(nèi)照明對測量結(jié)果的影響，提高測量穩(wěn)定性。

元器件的功能：

• 光發(fā)射： 通過內(nèi)置的紅光LED（約660nm）和紅外光LED（約940nm）輪流發(fā)射光信號穿透人體組織。

• 光接收與轉(zhuǎn)換： 內(nèi)置的光電探測器接收穿透人體組織后的光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號。

• 模擬信號調(diào)理： 將光電探測器產(chǎn)生的微弱電流信號進行放大、濾波，去除噪聲。

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換： 將調(diào)理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號（19位ADC）。

• 溫度傳感器： 內(nèi)置溫度傳感器可以用于溫度補償，進一步提高測量精度。

• I2C通信： 提供標準的I2C接口，方便微控制器讀取傳感器數(shù)據(jù)和配置其工作參數(shù)。

2.3 模擬前端調(diào)理（若不使用集成式傳感器）

如果選擇分立式的LED和光電探測器，則需要獨立的模擬前端電路。

優(yōu)選元器件型號：

• 跨阻放大器（TIA）： OPA2376A（雙通道，超低噪聲CMOS運算放大器）或TLV2372（雙通道，低功耗軌到軌輸出運算放大器）

• 儀表放大器： AD8232（集成式心率監(jiān)測模擬前端，但其主要針對ECG，對于PPG信號放大也需謹慎評估）或INA128/INA333（高精度低功耗儀表放大器）

• 濾波器： 運算放大器（如LM358、MCP6002等）配合電阻電容構(gòu)建有源濾波器。

器件作用： 將光電探測器輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并進行多級放大、濾波，以去除噪聲和環(huán)境光干擾，最終輸出適合ADC采集的電壓信號。

為什么選擇這些元器件（以分立式方案為例）：

• OPA2376A（或TLV2372）作為TIA： 光電二極管輸出的是微弱的電流信號，需要一個跨阻放大器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號。OPA2376A具有超低輸入偏置電流、低噪聲和寬帶寬，能精確地將光電二極管的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓，且不易引入額外噪聲。TLV2372則以其低功耗和軌到軌輸出特性，在電池供電系統(tǒng)中表現(xiàn)優(yōu)異。

• 儀表放大器（可選，用于差分放大）： 如果信號鏈路中有差分信號，或者需要高共模抑制比，則可使用儀表放大器。INA128/INA333具有高精度、低漂移、高共模抑制比的特點，能有效放大差分信號并抑制共模噪聲。

• 運算放大器構(gòu)建濾波器： LM358、MCP6002等通用運放可以靈活地構(gòu)建多級有源帶通濾波器，濾除工頻干擾（50/60Hz）和高頻噪聲，只保留脈搏波形所需的低頻（0.5-5Hz）信號。選擇低噪聲、低輸入偏置電流的運放至關重要。

元器件的功能（分立式方案）：

• 電流-電壓轉(zhuǎn)換（TIA）： 將光電探測器接收到的光信號（表現(xiàn)為電流）轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號。

• 多級放大： 將微弱的電壓信號放大到ADC可接受的范圍，確保ADC的有效分辨率。

• 有源濾波： 構(gòu)建帶通濾波器，濾除直流分量（如環(huán)境光引起的直流偏置）、高頻噪聲和工頻干擾，提取純凈的脈搏波交流分量。

• DC偏置調(diào)整： 調(diào)整信號的直流偏置，使其位于ADC的輸入范圍內(nèi)，避免飽和或欠載。

2.4 顯示模塊

優(yōu)選元器件型號：0.96英寸OLED顯示屏（SSD1306驅(qū)動）或1.8英寸TFT LCD（ST7735驅(qū)動）

器件作用： 直觀地顯示血氧飽和度百分比、心率數(shù)值、脈搏波形圖、電池電量等信息，提供人機交互界面。

為什么選擇這些元器件：

• OLED（SSD1306）：

• 自發(fā)光： 不需要背光，因此功耗極低，尤其適合電池供電的便攜設備。

• 高對比度、寬視角： 圖像顯示清晰銳利，即使在弱光環(huán)境下也能提供良好的視覺效果。

• 小尺寸、輕?。?/strong> 便于集成到緊湊的設備中。

• 簡單驅(qū)動： 通常通過SPI或I2C接口與微控制器通信，驅(qū)動庫成熟且易于使用。

• TFT LCD（ST7735）：

• 彩色顯示： 可以顯示更豐富的色彩和更復雜的圖形界面，用戶體驗更好。

• 相對較大尺寸： 1.8英寸或更大尺寸的TFT LCD可以顯示更多的信息，如完整的脈搏波形圖和歷史數(shù)據(jù)。

• 驅(qū)動成熟： ST7735等控制器芯片在業(yè)界廣泛應用，有大量的開源驅(qū)動庫和示例代碼。

• 選擇考量： 如果追求極致低功耗和小尺寸，OLED是優(yōu)選；如果對顯示內(nèi)容豐富度、色彩有更高要求，且功耗預算允許，則TFT LCD是更好的選擇。本設計傾向于OLED，以體現(xiàn)便攜和低功耗優(yōu)勢。

元器件的功能：

• 圖形顯示： 繪制血氧飽和度百分比（如SpO2: 98%）、心率數(shù)值（如HR: 75 BPM）、脈搏波形圖以及其他系統(tǒng)狀態(tài)信息（如電池圖標、藍牙連接狀態(tài)）。

• 字符顯示： 顯示各種文本信息和提示。

• 用戶界面： 結(jié)合按鍵實現(xiàn)簡單的菜單導航和模式切換。

2.5 電源管理模塊

優(yōu)選元器件型號：

• 充電管理IC： TP4056（單節(jié)鋰電池充電管理）或BQ24072（集成式充電和系統(tǒng)電源管理，更復雜）

• LDO穩(wěn)壓器： AMS1117-3.3（將5V或電池電壓穩(wěn)壓至3.3V）或MP2315（高效降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，如果電源電壓較高且需要更高效率）

• 鋰電池： 3.7V聚合物鋰電池（如500mAh-1000mAh，根據(jù)設備尺寸和續(xù)航需求選擇）

器件作用： 為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定、純凈的電源，管理電池充電和放電，并實現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換以延長電池續(xù)航。

為什么選擇這些元器件：

• TP4056（充電管理IC）： TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池充電管理芯片，體積小巧，充電電流可調(diào)，具有過壓、過流、短路、過溫保護功能，性價比高，非常適合小型便攜設備。它能確保鋰電池安全高效充電。

• AMS1117-3.3（LDO）： 在功耗不大的情況下，LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）如AMS1117-3.3能夠提供紋波小、噪聲低的3.3V穩(wěn)定電源，為MCU、傳感器和數(shù)字電路供電。雖然效率不如DC-DC，但在小電流應用和對噪聲敏感的場合仍有優(yōu)勢。

• MP2315（DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，若需要高效率）： 如果系統(tǒng)整體功耗較高，或者電池電壓與系統(tǒng)工作電壓差異較大，則選擇MP2315這類高效的開關降壓轉(zhuǎn)換器更為合適。它能將較高的電池電壓高效轉(zhuǎn)換為3.3V，減少能量損耗，顯著延長電池續(xù)航時間。

• 聚合物鋰電池： 相比圓柱形鋰電池，聚合物鋰電池形狀更靈活，能量密度高，自放電率低，安全性好，是便攜式設備的理想選擇。

元器件的功能：

• 電池充電： 實現(xiàn)對鋰電池的安全充電管理，包括恒流/恒壓充電模式、過充/過放保護。

• 電壓轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓： 將電池電壓（或外部USB供電電壓）轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的穩(wěn)定工作電壓（如3.3V），為MCU、傳感器、顯示屏等供電。

• 低功耗管理： 通過DC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效的電壓轉(zhuǎn)換，減少能量損耗。

• 電源開關與保護： 可能包含獨立的電源開關電路，以及過流、短路保護機制，確保系統(tǒng)和電池安全。

2.6 通信模塊

優(yōu)選元器件型號：藍牙BLE模塊（如CC2541、NRF52832）

器件作用： 實現(xiàn)系統(tǒng)與智能手機APP之間的無線數(shù)據(jù)通信，將血氧和心率數(shù)據(jù)上傳至手機進行顯示、存儲、分析和分享。

為什么選擇這些元器件：

• 低功耗： 藍牙低功耗（BLE）是專為物聯(lián)網(wǎng)設備設計的低功耗無線通信技術，非常適合電池供電的醫(yī)療設備。CC2541和NRF52832都是業(yè)界領先的BLE芯片，在功耗控制方面表現(xiàn)出色。

• 廣泛兼容性： BLE已成為智能手機和各種智能設備的標準配置，兼容性好，方便用戶連接。

• 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定： 在短距離內(nèi)（通常10米以內(nèi)），BLE提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

• 模塊化易用： 通常以模塊形式提供，內(nèi)部已集成天線、晶振等，只需通過UART或SPI接口與MCU連接，降低了RF設計難度。NRF52系列甚至可以作為主控MCU使用，進一步簡化系統(tǒng)。

元器件的功能：

• 無線數(shù)據(jù)傳輸： 建立與手機APP的BLE連接，實時傳輸血氧、心率數(shù)據(jù)和脈搏波形數(shù)據(jù)。

• 低功耗廣播： 在空閑時進入低功耗模式，并在需要時快速建立連接。

• 固件空中升級（OTA）： 部分模塊支持OTA功能，方便系統(tǒng)固件的遠程升級。

2.7 其他輔助元器件

• 晶振： 為MCU和某些外設提供精確的時鐘源。通常MCU需要外部高速晶振（HSE，如8MHz或25MHz），用于系統(tǒng)主頻，和外部低速晶振（LSE，32.768KHz）用于實時時鐘（RTC）和低功耗模式。選擇高穩(wěn)定性、小封裝的晶振。

• 復位芯片： 如MCP100系列，提供精確的復位信號，防止MCU在電源不穩(wěn)時誤操作。

• 按鍵： 用于人機交互，如開關機、模式切換、菜單選擇等。通常是輕觸按鍵，配合MCU的GPIO和中斷功能。

• LED指示燈： 用于指示系統(tǒng)狀態(tài)，如電源、充電狀態(tài)、藍牙連接狀態(tài)、測量進行中等。

• 電容、電阻、電感： 用于濾波、分壓、限流、匹配等，是電路中不可或缺的基礎元器件。選擇符合封裝要求、精度要求和溫度系數(shù)要求的通用電阻電容。電感主要用于DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源濾波。

• ESD保護器件： 在USB接口、按鍵輸入等易受靜電影響的端口，需要TVS管等ESD保護器件，提高系統(tǒng)抗靜電能力和可靠性。

3. 硬件電路設計與原理分析

本章節(jié)將對核心硬件模塊的電路設計原理進行深入分析。

3.1 信號采集電路

信號采集部分是整個血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)最關鍵的一環(huán)，其設計質(zhì)量直接決定了測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。本方案選擇MAX30102作為集成式光電傳感器，極大地簡化了硬件設計。

MAX30102內(nèi)部集成了紅光LED和紅外光LED，以及一個高靈敏度的光電探測器。LED通過可編程的電流驅(qū)動，向被測組織（如指尖）發(fā)射光。光電探測器接收穿透組織后的光信號。由于含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對紅光和紅外光的吸收率不同，且這種吸收率隨心臟的搏動而周期性變化（脈搏波），通過檢測不同波長光的透射強度變化，可以計算血氧飽和度。

電路連接：MAX30102與STM32L476RG之間通過I2C總線進行通信。

• SDA (MAX30102) → SDA (STM32L476RG)

• SCL (MAX30102) → SCL (STM32L476RG)

• INT (MAX30102) → GPIO (STM32L476RG，配置為外部中斷)

• VCC (MAX30102) → 1.8V/3.3V (穩(wěn)壓電源)

• GND (MAX30102) → GND

INT引腳用于產(chǎn)生中斷信號，通知MCU有新數(shù)據(jù)或發(fā)生特定事件，減少MCU輪詢，降低功耗。MAX30102內(nèi)部的電源管理IC可以從3.3V或5V供電，并生成芯片內(nèi)部所需的更低電壓（如1.8V）。重要的是，其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是高分辨率（19位）的，能夠捕獲微弱的脈搏波信號。LED的驅(qū)動電流和脈沖寬度是可編程的，可以通過I2C接口進行配置，以便優(yōu)化信噪比和功耗。

如果采用分立式方案，則光電二極管（PD）將連接到一個跨阻放大器（TIA）的輸入端。TIA將PD產(chǎn)生的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。例如，OPA2376A的負輸入端連接PD的陰極，正輸入端接地，反饋電阻連接在輸出端和負輸入端之間。反饋電阻的選擇決定了跨阻增益。接著，TIA的輸出信號會經(jīng)過多級有源濾波器，濾除直流分量、高頻噪聲和工頻干擾（50/60Hz），只保留0.5Hz~5Hz左右的脈搏波交流成分。這些濾波器通常由運放（如LM358或MCP6002）、電阻和電容構(gòu)成，形成有源二階或三階巴特沃斯帶通濾波器，以確保足夠的濾波效果和信號完整性。最后，濾波后的信號進入STM32的ADC引腳進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.2 微控制器核心電路

STM32L476RG作為核心處理器，其外圍電路主要包括電源、時鐘、復位和調(diào)試接口。

電源： STM32L476RG需要穩(wěn)定的3.3V電源供電。這3.3V電源通常由電源管理模塊中的LDO或DC-DC轉(zhuǎn)換器提供。在STM32的電源引腳VCC和GND之間，需要放置多個0.1uF和10uF的去耦電容，靠近芯片放置，以濾除高頻噪聲，確保電源的穩(wěn)定性。

時鐘： STM32L476RG支持內(nèi)部RC振蕩器和外部晶體振蕩器。為保證系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，通常會使用外部高速晶振（HSE，如8MHz或16MHz）作為系統(tǒng)主時鐘源，通過PLL倍頻到80MHz。同時，為了實現(xiàn)精確的實時時鐘（RTC）功能和低功耗模式下的計時，會引入一個32.768KHz的外部低速晶振（LSE）。晶振的兩端分別接兩個10pF-22pF的匹配電容到地。

復位： STM32L476RG具有內(nèi)置復位電路，但為了提高系統(tǒng)可靠性，通常會外加一個復位按鍵，通過一個RC網(wǎng)絡或?qū)Ｓ玫膹臀恍酒ㄈ鏜CP100系列）來產(chǎn)生可靠的復位信號，連接到MCU的NRST引腳。

調(diào)試接口： STM32支持SWD（Serial Wire Debug）接口進行在線調(diào)試和程序下載。通常需要SWCLK、SWDIO、VCC、GND這四個引腳連接到SWD調(diào)試器（如ST-Link/V2），便于開發(fā)和固件燒錄。

3.3 電源管理電路

電源管理是便攜設備續(xù)航的關鍵。本方案以單節(jié)鋰電池供電為例。

充電電路： 采用TP4056充電芯片。其典型應用電路非常簡單，只需少量外圍元件。

• USB 5V電源通過一個二極管（防止反向電流）或直接連接到TP4056的VIN引腳。

• 鋰電池連接到BAT引腳。

• PROG引腳通過一個電阻連接到GND，該電阻決定了充電電流（如1.2K歐姆電阻設定充電電流為1A）。

• STAT引腳可以連接LED指示充電狀態(tài)（如充電中亮、充電完成滅）。

• OUT引腳輸出電池電壓，直接或通過保護電路為后續(xù)電路供電。

• 同時，通常會加入鋰電池保護板（內(nèi)含DW01A或FS312等保護IC），提供過充、過放、過流、短路保護，確保電池安全。

穩(wěn)壓電路：

• 方案一（LDO）： 若系統(tǒng)整體功耗較低，直接使用AMS1117-3.3等LDO將鋰電池電壓（3.7V~4.2V）穩(wěn)壓至3.3V供MCU及其他數(shù)字電路使用。輸入輸出各接一個10uF和0.1uF的電容進行濾波。LDO的優(yōu)點是輸出紋波小、噪聲低，缺點是效率相對較低，在輸入輸出壓差大或電流大時發(fā)熱量較大。

• 方案二（DC-DC）： 若系統(tǒng)整體功耗較高，或需要更長的續(xù)航時間，可使用MP2315等高效的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器。MP2315典型應用電路包含輸入電容、肖特基二極管、電感、輸出電容和反饋電阻網(wǎng)絡。它能將鋰電池電壓高效轉(zhuǎn)換為3.3V，效率可達90%以上，顯著降低發(fā)熱量并延長續(xù)航。

3.4 顯示電路

OLED顯示屏（SSD1306驅(qū)動）：通常OLED模塊采用SPI或I2C接口。如果選擇SPI接口，則需要連接：

• VCC → 3.3V

• GND → GND

• SCL (Clock) → STM32 SPI_SCK

• SDA (Data) → STM32 SPI_MOSI

• RES (Reset) → STM32 GPIO

• DC (Data/Command) → STM32 GPIO

• CS (Chip Select) → STM32 GPIO (若為獨立CS)

SPI接口具有傳輸速度快、占用引腳少（若共享總線）的優(yōu)點，適合實時顯示脈搏波形。軟件驅(qū)動時，需要初始化SSD1306控制器，然后通過SPI發(fā)送命令和數(shù)據(jù)來控制顯示內(nèi)容。

3.5 通信電路（藍牙BLE）

以NRF52832藍牙模塊為例，通常通過UART接口與STM32進行通信。

• VCC → 3.3V

• GND → GND

• TX (NRF52) → RX (STM32 UART)

• RX (NRF52) → TX (STM32 UART)

• RST (NRF52) → STM32 GPIO (可選，用于復位藍牙模塊)

在STM32上配置一個UART外設，設置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等參數(shù)，與藍牙模塊的配置保持一致。通過UART發(fā)送AT指令或特定的藍牙協(xié)議命令來控制藍牙模塊的工作模式（如廣播、連接、數(shù)據(jù)傳輸），并接收來自模塊的數(shù)據(jù)。

4. 軟件系統(tǒng)設計

軟件是血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)的“靈魂”，負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號處理、算法計算、人機交互和數(shù)據(jù)通信等核心功能?；赟TM32的軟件開發(fā)通常采用C語言，結(jié)合HAL庫或LL庫進行底層驅(qū)動開發(fā)。

4.1 軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)軟件可采用分層模塊化的設計思想，主要包括：

• 硬件抽象層（HAL/LL）： 負責底層硬件的初始化和驅(qū)動，如GPIO、ADC、I2C、UART、SPI等，提供統(tǒng)一的API接口。

• 設備驅(qū)動層： 封裝特定外設的驅(qū)動，如MAX30102驅(qū)動、OLED驅(qū)動、藍牙模塊驅(qū)動等。這一層將復雜的硬件操作抽象為簡單的函數(shù)調(diào)用。

• 數(shù)據(jù)采集與預處理層： 負責從傳感器驅(qū)動層獲取原始數(shù)據(jù)，進行初步的去噪和濾波。

• 信號處理與算法層： 實現(xiàn)血氧飽和度、心率計算的核心算法，包括脈搏波特征提取、血氧比率計算等。

• 人機交互層： 處理按鍵輸入、控制OLED顯示界面更新。

• 通信管理層： 管理藍牙通信協(xié)議棧，負責數(shù)據(jù)的封裝和發(fā)送，以及接收來自外部設備（如手機APP）的命令。

• 應用層： 調(diào)用各功能模塊的API，實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務邏輯，如啟動測量、顯示結(jié)果、上傳數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)管理等。

• 操作系統(tǒng)層（可選，RTOS）： 對于更復雜的系統(tǒng)，可以引入RTOS（如FreeRTOS），實現(xiàn)任務的并發(fā)管理、資源調(diào)度、通信同步等，提高系統(tǒng)的實時性和可維護性。對于本設計，簡單的裸機循環(huán)或事件驅(qū)動機制可能也足夠，但RTOS能提供更強的擴展性。

4.2 核心算法實現(xiàn)

4.2.1 脈搏波信號采集與預處理

從MAX30102采集到的原始數(shù)據(jù)是經(jīng)過19位ADC轉(zhuǎn)換的紅光和紅外光強度值。這些值通常包含直流分量（由組織、骨骼、靜脈血等引起）和交流分量（由動脈搏動引起）。

• 數(shù)據(jù)采集： 通過I2C讀取MAX30102的FIFO緩沖區(qū)，獲取連續(xù)的紅光和紅外光原始數(shù)據(jù)。

• 直流分量去除： 采用高通濾波器（如一階或二階IIR高通濾波器）去除信號中的直流分量和低頻漂移，只保留交流脈搏波成分?；蛘吆唵蔚厥褂靡苿悠骄ㄓ嬎阒绷骰€，然后從原始信號中減去基線。

• 低通濾波： 采用低通濾波器（如FIR或IIR低通濾波器）去除高頻噪聲，如工頻干擾（50/60Hz）和環(huán)境光噪聲。對于血氧脈搏波信號，其頻率通常在0.5Hz到5Hz之間。

4.2.2 心率（Pulse Rate）計算

心率計算通?；诿}搏波形的周期性。

• 峰谷檢測： 對經(jīng)過濾波的脈搏波AC信號進行峰值檢測。通過設定閾值和最小間隔時間來識別有效的脈搏波峰。

• 周期計算： 計算連續(xù)兩個波峰之間的時間間隔（或數(shù)據(jù)點間隔）。

• 心率計算：心率（BPM） = 60 / 脈搏周期（秒） 或者 心率（BPM） = 采樣率 / 脈搏周期（樣本數(shù)） * 60 為了提高準確性，通常會取多個周期進行平均，或者采用自相關分析、FFT等更高級的算法來提取主頻。

4.2.3 血氧飽和度（SpO2）計算

血氧飽和度的計算基于朗伯-比爾定律的經(jīng)驗公式和紅光/紅外光的吸收比率。

• AC/DC分量提?。?/strong> 對紅光和紅外光的原始信號，分別提取其交流（AC）分量和直流（DC）分量。AC分量代表血液搏動引起的吸收變化，DC分量代表組織、靜脈血等引起的基線吸收。

• DC分量： 可以通過移動平均濾波或低通濾波獲取。

• AC分量： 從原始信號中減去DC分量，或者通過高通濾波直接獲取。

• R值計算： R值是紅光和紅外光交流分量與直流分量比率的比率，是血氧飽和度計算的關鍵參數(shù)。R=(ACIR/DCIR)(ACRed/DCRed)其中，ACRed 和 ACIR 分別是紅光和紅外光的交流分量峰谷值或峰峰值。DCRed 和 DCIR 分別是紅光和紅外光的直流分量。

• SpO2查表或擬合： 理論上，R值與血氧飽和度之間存在非線性關系。在實際應用中，通常通過臨床校準數(shù)據(jù)建立一個查表（Lookup Table）或多項式擬合曲線。MCU根據(jù)計算出的R值，通過查表或擬合公式，得出對應的SpO2值。SpO2=A×R2+B×R+C （多項式擬合示例） 其中A、B、C為經(jīng)驗系數(shù)，通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合得到。

關鍵考慮：

• 運動偽影抑制： 運動會導致脈搏波形嚴重失真，影響測量精度?？梢圆捎米赃m應濾波、小波變換或基于加速度計（可選）的運動狀態(tài)檢測等方法進行偽影抑制。

• 環(huán)境光抑制： 雖然MAX30102有內(nèi)置的環(huán)境光抑制，但軟件層面也可以通過數(shù)字濾波進一步增強。

• 平均與穩(wěn)定性： 為了提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性，通常會對連續(xù)幾秒的測量結(jié)果進行平均，并進行平滑處理。

4.3 人機交互與顯示驅(qū)動

• 按鍵處理： 配置STM32的GPIO為輸入模式，并開啟外部中斷。當按鍵按下時觸發(fā)中斷，在中斷服務函數(shù)中讀取按鍵狀態(tài)并進行消抖處理。根據(jù)按鍵的短按、長按等操作，實現(xiàn)不同的功能（如開關機、模式切換、屏幕亮度調(diào)節(jié)等）。

• OLED顯示驅(qū)動：

• 初始化： 通過SPI/I2C發(fā)送命令初始化SSD1306控制器，設置顯示模式、對比度、亮度等。

• 圖形庫： 開發(fā)一套簡單的圖形庫，包括點、線、矩形、字符（ASCII、GB2312/UTF8）、數(shù)字等繪制函數(shù)。

• 刷新機制： OLED顯示通常采用幀緩沖機制。MCU將要顯示的內(nèi)容先繪制到內(nèi)存中的一個緩沖區(qū)（幀緩沖），然后一次性將整個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過SPI/I2C發(fā)送到OLED模塊，刷新屏幕。為了節(jié)省RAM，可以只刷新局部區(qū)域。

• 實時波形顯示： 實時繪制脈搏波形圖需要高速的刷新率，可以通過滾動顯示或者部分區(qū)域更新來優(yōu)化性能。

4.4 通信模塊驅(qū)動

• UART配置： 初始化STM32的UART外設，設置正確的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位，與藍牙模塊保持一致。

• 藍牙協(xié)議封裝： 藍牙模塊通常通過AT指令集進行控制和數(shù)據(jù)透傳。軟件需要實現(xiàn)對AT指令的發(fā)送和響應解析。對于數(shù)據(jù)透傳，將血氧和心率數(shù)據(jù)按照藍牙GATT（Generic Attribute Profile）服務和特性進行封裝，比如定義一個Health Thermometer Service或自定義服務，包含SpO2 Characteristic和Heart Rate Characteristic。

• 數(shù)據(jù)發(fā)送： 將計算出的SpO2和心率數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送給藍牙模塊，由藍牙模塊廣播或發(fā)送給已連接的手機APP。

• 數(shù)據(jù)接收： 接收來自手機APP的命令，如請求歷史數(shù)據(jù)、設置參數(shù)等。

5. 系統(tǒng)功能與性能指標

本系統(tǒng)設計旨在實現(xiàn)以下主要功能和性能指標：

5.1 主要功能

• 實時血氧飽和度（SpO2）測量： 測量范圍70%~100%，誤差在±2%以內(nèi)。

• 實時心率（Pulse Rate）測量： 測量范圍30 BPM~250 BPM，誤差在±2 BPM以內(nèi)。

• 脈搏波形顯示： 在OLED屏幕上實時顯示脈搏波形圖，直觀反映脈搏搏動情況。

• 電池電量顯示： 實時顯示電池剩余電量，并具備低電量提醒功能。

• 按鍵操作： 實現(xiàn)設備的開/關機、測量啟動/停止、屏幕亮度調(diào)節(jié)等基本操作。

• 藍牙數(shù)據(jù)上傳： 通過藍牙BLE將測量數(shù)據(jù)無線上傳至配套的手機APP，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、歷史趨勢查看、報告生成等。

• 自動關機： 在一定時間無操作后自動關機，節(jié)省電量。

5.2 性能指標

• 測量精度：

• SpO2： ±2% （在70%~100%范圍內(nèi)）

• 心率： ±2 BPM

• 響應速度： 首次測量結(jié)果在10秒內(nèi)顯示。

• 功耗：

• 工作模式： 典型功耗應控制在數(shù)十毫瓦量級，以實現(xiàn)數(shù)小時至數(shù)十小時的連續(xù)工作時間。

• 待機模式： 功耗應控制在微瓦量級，以實現(xiàn)數(shù)周甚至數(shù)月的待機時間。

• 便攜性： 尺寸小巧，方便攜帶。

• 可靠性： 硬件電路穩(wěn)定，軟件算法魯棒，能有效抵抗外界干擾。

• 易用性： 操作簡單，用戶界面友好。

6. 系統(tǒng)測試與調(diào)試

系統(tǒng)開發(fā)完成后，需要進行嚴格的測試與調(diào)試，以驗證其功能和性能是否達到設計要求。

6.1 硬件調(diào)試

• 電源模塊測試： 檢查各路穩(wěn)壓輸出電壓是否穩(wěn)定、紋波是否符合要求。測試電池充電功能、充電電流、充滿指示以及過充/過放保護。

• MCU最小系統(tǒng)測試： 確認MCU的時鐘、復位電路正常工作，能通過SWD接口正常下載和調(diào)試程序。

• 傳感器接口測試： 使用邏輯分析儀或示波器檢查I2C通信波形是否正常。讀取MAX30102的設備ID，確認傳感器能正常響應。

• 模擬前端測試（若分立式）： 使用信號發(fā)生器輸入模擬信號，觀察各級放大器和濾波器的輸出波形是否符合預期，增益和截止頻率是否正確。檢查ADC采集到的原始數(shù)據(jù)是否有效。

• 顯示模塊測試： 編寫簡單的測試程序，驅(qū)動OLED/LCD顯示字符和圖形，確認顯示正常。

• 通信模塊測試： 編寫程序與藍牙模塊進行AT指令交互，測試藍牙廣播、連接和數(shù)據(jù)傳輸功能。

6.2 軟件調(diào)試與性能驗證

• 數(shù)據(jù)采集與預處理：

• 通過串口打印或調(diào)試工具，實時查看MCU從MAX30102讀取到的原始紅光/紅外光數(shù)據(jù)。

• 觀察經(jīng)過軟件濾波后的脈搏波形數(shù)據(jù)，確認噪聲是否有效去除，波形是否平滑。

• 測試不同環(huán)境光下（如室內(nèi)、室外、陽光下）的測量穩(wěn)定性。

• 心率算法驗證：

• 使用標準脈搏模擬器或在多名志愿者身上進行測試，與醫(yī)用級心率計進行對比，評估心率測量的準確性。

• 測試在運動狀態(tài)下（如輕微晃動）心率測量的穩(wěn)定性。

• 血氧算法驗證：

• 這是最關鍵的測試環(huán)節(jié)。理想情況下，需要與經(jīng)過國家計量認證的標準脈搏血氧儀進行對比。

• 在不同血氧飽和度狀態(tài)下（如通過呼吸訓練模擬低血氧狀態(tài)，但需在專業(yè)人員指導下進行，確保安全），采集數(shù)據(jù)并與標準設備對比，評估SpO2測量的準確性和重復性。

• 驗證不同膚色、不同手指厚度對測量結(jié)果的影響，并考慮在算法中進行補償。

• 系統(tǒng)功耗測試：

• 使用高精度電流表測量系統(tǒng)在不同工作模式（測量、待機、藍牙連接等）下的電流消耗，計算電池續(xù)航時間。

• 優(yōu)化軟件代碼，如合理使用低功耗模式、關閉不用的外設、降低采樣率等，以進一步降低功耗。

• 用戶體驗測試：

• 測試按鍵響應、顯示界面切換是否流暢。

• 藍牙連接速度和穩(wěn)定性。

• 設備攜帶是否舒適，操作是否簡便。

7. 展望與擴展

本設計方案提供了一個基于STM32的血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架。在此基礎上，未來可以進行以下擴展和優(yōu)化：

• 多參數(shù)監(jiān)測： 集成體溫、血壓、呼吸頻率等其他生理參數(shù)傳感器，實現(xiàn)多參數(shù)綜合健康監(jiān)測。

• 數(shù)據(jù)云平臺： 將數(shù)據(jù)上傳至云端服務器，實現(xiàn)遠程健康管理、數(shù)據(jù)可視化和智能預警。

• AI健康分析： 結(jié)合人工智能算法，對長期數(shù)據(jù)進行分析，提供個性化健康建議，甚至早期疾病風險預測。

• 運動狀態(tài)識別與補償： 引入加速度計或陀螺儀傳感器，識別用戶運動狀態(tài)，并對脈搏波信號進行更有效的運動偽影補償，提高運動時的測量精度。

• 增強用戶體驗： 引入觸控屏、語音交互等更高級的人機交互方式。

• 醫(yī)療認證： 為實現(xiàn)醫(yī)療級應用，系統(tǒng)需要滿足嚴格的醫(yī)療器械標準（如ISO 80601-2-61、GB 9706.261等），并進行臨床驗證和注冊。

總結(jié)

基于STM32單片機的血氧心率監(jiān)測系統(tǒng)，通過選用高性能、低功耗的核心元器件，結(jié)合精密的硬件電路設計和高效的軟件算法實現(xiàn)，能夠構(gòu)建一個穩(wěn)定、準確、便攜的健康監(jiān)測平臺。從MAX30102的集成式傳感器到STM32L4系列微控制器的強大處理能力，再到低功耗的電源管理和藍牙通信，每一個環(huán)節(jié)的精心選擇都旨在提升系統(tǒng)的整體性能和用戶體驗。雖然本方案提供了詳細的概述，但在實際開發(fā)中，仍需投入大量精力進行細致的電路布線、軟件代碼優(yōu)化、嚴格的測試和校準，以確保產(chǎn)品的可靠性和市場競爭力。隨著可穿戴醫(yī)療設備市場的不斷發(fā)展，此類系統(tǒng)將發(fā)揮越來越重要的作用，為人們的健康管理帶來便利。