AFE4400+MSP430指甲式血氧仪设计方案.doc

SPO2电路板1. 基本原理1.1 基本原理说明采用振荡法测量脉搏血氧饱和度（SpO2）。分透射法和反射法，反射法的光源与光敏元件的距离为410mm。本方案采用透射法用于耳垂。溶液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对不同波长的光的吸收系数不同，如下图所示，在波长为600700nm的红光区，Hb的吸收系数比HbO2的大；而在波长为8001000nm的近红外光区，HbO2的吸收系数比Hb的大；在805nm附近是等吸收点。基于这种光谱特性，两种波长的透射光强之比，与脉搏血氧饱和度（SpO2）近似成线性，有以下近似公式：，其中，IR/IIR为红光和近红外光透射光强之比；k1，k2为常数。实践中用660nm的红光和880/905/940nm的近红外光，通过分时电路交替照射含动脉血管的部位，光电管检测透射光强并将两种波长的信号分离出来。将两种波长对应信号，去除直流分量（表皮、肌肉、骨骼和静脉等引起的光吸收）；剩下交流分量（动脉血的HbO2和Hb浓度随着血液的脉动做周期性的改变引起的）。交流分量的脉动规律与心脏的搏动一致，用来计算心率；两种交流分量之比用来计算脉搏血氧饱和度（SpO2）。由于生物组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质；LED发出的光虽然单色性很好但是也还是有一定光谱宽度，不同批次的LED的峰值波长也会有不一致性；再加之以上的线性公式也只是近似值。因此实际应用中，采用以下的公式来作经验定标：，其中，k1，k2，k3为经验定标常数。1.2 系统组成2. 各单元电路详细设计及性能指标计算2.1 电源电路部分2.2 AFE（血氧)部分接收通道1）接收前端接收器是一个差分的电流-电压转阻放大器，将光电二极管的输入电流转换为适当的电压。其反馈电阻RF可选择：1 M, 500 k, 250 k, 100 k, 50 k, 25 k, 10 k。反馈电阻RF和反馈电容CF，组成一个低通滤波器。因为输入的电流时脉冲的，所以应确保低通滤波器的时间常数RC具有足够的带宽，即：RF×CF 接收通道采样时间/10。CF可选择：5 pF, 10 pF, 25 pF, 50 pF, 100 pF, and 250 pF，以及它们之间的任意组合。电流-电压放大器的输出包含有血氧容积波成分和环境光噪声成分。电流-电压放大器后面的第二级由电流DAC和一个放大器组成，它们可以补偿掉环境光噪声成分而仅仅是放大血氧容积波成分。电流DAC提供一个估算的补偿电流ICANCEL可选择：0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10A，以使直流偏执信号对中到接近放大器的中点(±0.9 V)。放大器的RG可选择：100, 150, 200, 300, 400，对应增益为0 dB (x1), 3.5dB (x1.5), 6 dB (x2), 9.5 dB (x3), 12 dB (x4)，以获得更大的ADC动态范围。接收通道的采样时间是可以独立编程设置的，采样应在电流-电压放大器的输出稳定后才进行，应该延时一个稳定时间（查电气特性表为7s）。环境噪声补偿放大器的输出分离为4路信号：LED2、LED2环境噪声、LED1、LED1环境噪声，分别进行采样和保持。4路信号都送到同一个22位的ADC，按25%分时进行AD转换，输出4路信号的数据流。ADC后面还有一个数字减法模块，可以计算出(LED2 LED2环境噪声)和(LED1 LED1环境噪声)。2）环境光噪声补偿算法VDIFF=2×( IPLETH×RF/RI + IAMB×RF/RI - ICANCEL ) × RG VDIFF = 第二级的差分输出； IPLETH = 光电二极管电流的血氧容积波成分； IAMB = 光电二极管电流的环境光噪声成分； RI = 第一级和第二极之间的电阻，RI =100k； 输出电压不应超过ADC的满量程±1.2V。3）接收时序时钟和定时信号内置振荡器在8MHz外部晶体的作用下产生一个8MHz的时钟，然后经过2分频为4MHz的时钟，用于定时器模块、ADC、及诊断模块。定时器模块一共11路信号：2路发射信号、4路采样信号、4路转换信号、1路ADC复位信号，它们的上升沿和下降沿时间点都可以被编程，一共第029个瞬时值需配置。它们都是使用一个16位4MHz的计数器并以脉冲重复频率PRF为基准来编程的。本设计中，PRF设置为500Hz。采样脉冲应延迟一个稳定时间约7s，ADC复位时间最小2tCLK。通过设置寄存器来配置定时器，其配置步骤是： 随PRP周期开始，按顺序配置转换信号时序：LED2 LED2 ambient LED1 LED1 ambient。 其次，随PRP周期开始，按顺序配置采样信号时序：LED2 ambient LED1 LED1 ambient LED2。 最后，对齐两个发射LED脉冲的瞬时值。ADC操作和求平均值模块满量程输入电压是±1.2V，ADC数据经平均后输出，格式是22位的二进制补码，24位数据的最高2位予以忽略。在寄存器2Ah(42)、2Bh(43)、2Ch(44)、2Dh(45)可以读出4路信号的数据，在寄存器2Eh(46)、2Fh(47) 可以读出2个差值数据。发射部分发射电流由一个8位DAC来编程设置，满量程电流为50mA。有两种驱动电路方式，本设计中使用头尾相连的发射对管，所以选择H桥的驱动方式。偏置电流50A可以在不工作时设置为关闭以减少功耗。诊断SPI接口寄存器配置表本设计的寄存器配置如下（粗体字为非缺省值，应特别注意）：地址寄存器名读写缺省值设置值设计说明00hCONTROL0W000000h000000h复位后应置000001h，以使能SPI读01hLED2STCR/W000000h0017C0hLED2采样脉冲起始点，t1=608002hLED2ENDCR/W000000h001F3EhLED2采样脉冲结束点, t2=799803hLED2LEDSTCR/W000000h001770hLED2发射脉冲起始点, t3=600004hLED2LEDENDCR/W000000h001F3FhLED2发射脉冲结束点, t4=799905hALED2STCR/W000000h000050hLED2环境噪声采样脉冲起始点, t5=8006hALED2ENDCR/W000000h0007CEhLED2环境噪声采样脉冲结束点, t6=199807hLED1STCR/W000000h000820hLED1采样脉冲起始点，t7=208008hLED1ENDCR/W000000h0009f9hLED1采样脉冲结束点, t8=399909hLED1LEDSTCR/W000000h0007D0hLED1发射脉冲起始点, t9=20000AhLED1LEDENDCR/W000000h000F9FhLED1发射脉冲结束点, t10=39990BhALED1STCR/W000000h000FF0hLED1环境噪声采样脉冲起始点, t11=40800ChALED1ENDCR/W000000h00176EhLED1环境噪声采样脉冲结束点, t12=59980DhLED2CONVSTR/W000000h000006hLED2转换脉冲起始点，t13=60EhLED2CONVENDR/W000000h0007CFhLED2转换脉冲结束点, t14=19990FhALED2CONVSTR/W000000h0007D6hLED2环境噪声转换脉冲起始点，t15=200610hALED2CONVENDR/W000000h000F9FhLED2环境噪声转换脉冲结束点, t16=399911hLED1CONVSTR/W000000h000FA6hLED1转换脉冲起始点，t17=400612hLED1CONVENDR/W000000h00176FhLED1转换脉冲结束点, t18=599913hALED1CONVSTR/W000000h001776hLED1环境噪声转换脉冲起始点，t19=600614hALED1CONVENDR/W000000h001F3FhLED1环境噪声转换脉冲结束点, t20=799915hADCRSTSTCT0R/W000000h000000h第1次ADC复位起始点，t21=016hADCRSTENDCT0R/W000000h000005h第1次ADC复位结束点，t22=517hADCRSTSTCT1R/W000000h0007D0h第2次ADC复位起始点，t23=200018hADCRSTENDCT1R/W000000h0007D5h第2次ADC复位结束点，t24=200519hADCRSTSTCT2R/W000000h000FA0h第3次ADC复位起始点，t25=40001AhADCRSTENDCT2R/W000000h000FA5h第3次ADC复位结束点，t26=40051BhADCRSTSTCT3R/W000000h001770h第4次ADC复位起始点，t27=60001ChADCRSTENDCT3R/W000000h001775h第4次ADC复位结束点，t28=60051DhPRPCOUNTR/W000000h001F3FhPRPCOUNT=7999，PRF=4MHz/7999=500Hz1EhCONTROL1R/W000000h000302hLED2LED脉冲输出到管脚PD_ALM， LED1LED脉冲输出到管脚LED_ALM；定时器使能1FhSPARE1N/A000000h备用20hTIAGAINR/W000000h保留，设置互阻放大器增益21hTIA_AMB_GAINR/W000000h014100h补偿电流1A，第二级增益×1.5，CF=5pF，RF=500K22hLEDCNTRLR/W000000h011F1FhLED1电流6mA、LED2电流6mA23hCONTROL2R/W000000h020100hH桥驱动，内部时钟，Tx/Rx/AFE开启24hSPARE2N/A000000h备用25hSPARE3N/A000000h备用26hSPARE4N/A000000h备用27hRESERVED1N/AXXXXh-保留28hRESERVED2N/AXXXXh-保留29hALARMR/W000000h00080h使能输出相应脉冲到两个报警管脚2AhLED2VALR000000h-红外光AD值2BhALED2VALR000000h-红外光环境噪声AD值2ChLED1VALR000000h-红光AD值2DhALED1VALR000000h-红光环境噪声AD值2EhLED2-ALED2VALR000000h-红外光-红外光环境噪声AD值，波形是翻转的2FhLED1-ALED1VALR000000h-红光-红光环境噪声AD值，波形是翻转的30hDIAG RR000000h-错误诊断标志血氧饱和度的算法AFE4400芯片有以下6个寄存器的数据可以输出： LED2VA：LED2 (RED)信号 ALED2VAL：LED2 (RED)环境噪声 LED1VA：LED1 (IR)信号 ALED1VAL：LED1 (IR)环境噪声 LED2-ALED2VAL：LED2 (RED)信号减去环境噪声 LED1-ALED1VAL：LED1 (IR)信号减去环境噪声血氧饱和度式中，k1，k2，k3为经验定标常数，是设计时在校准条件下获得的。血氧饱和度的数值应该在70%100%之间，超出该范围的数值都以特征无效值0来表示。脉搏容积波的算法采用其中一导波形数据LED1-ALED1VAL，该数据是表示透光强度，而脉搏容积波应该是它的反数再加上半动态范围数值。脉率的算法采用其中一导波形数据LED1-ALED1VAL计算脉率，为消除误差取5个脉搏周期的平均值。可采取的算法有：简单阈值法、能量积分法、或形态法，或者它们的组合算法。脉率的数值应该在30240之间，超出该范围的数值都以特征无效值0来表示。2.3 MCU部分