【文章內(nèi)容簡介】 參考電流獨(dú)立的紅外和紅色發(fā)光二極管。 圖 6 AFE 集成 LED 驅(qū)動(dòng)電路和光電二極管信號 第 9 頁 LED 脈沖的生成 圖 7 LED 驅(qū)動(dòng)電路 有兩個(gè) LED 燈，一個(gè)用于可見紅光波長，另一個(gè)用于紅外波長。 在 Nellcor 兼容探頭中，這兩個(gè) LED 被背靠背連接。 為了點(diǎn)亮它們，一個(gè) H 橋被安排使用。圖 2 對該電路進(jìn)行了說明。 Port 和 Port 驅(qū)動(dòng)這個(gè)互補(bǔ)電路。一個(gè) DAC0 控制通過 LED 的電流，從而控制它的光輸出水平 。 這整個(gè)電路是時(shí)分復(fù)用的。 在 MSP430FG437 中， 內(nèi)部的 12 位 DAC0 通過 DAC 控制寄存器的軟件控制可以被連接到 MCU 的引腳 5 或引腳 10。當(dāng)一個(gè)引腳沒有被選擇來輸出 DAC0 信號，它被設(shè)置為 HiZ 或低電平。每個(gè)晶體管的基極有一個(gè)下拉電阻來保證當(dāng)該晶體管沒被選擇時(shí)它 處于關(guān)閉狀態(tài)。 采樣和調(diào)整 PIN 二極管信號 圖 8 輸入前端電路和 LED 控制 第 10 頁 光二極管從接收到的光中產(chǎn)生電流。電流信號通過一個(gè)跨阻放大器被放大。 OA0，三個(gè)內(nèi)置運(yùn)算放大器之一，被用來放大這個(gè)信號。由于電流信號非常小，這個(gè)放大器擁有一個(gè)低的漂移電流就很重要。 從 OA0 輸出的信號由一個(gè)大的直流部分（大約 1V）和一個(gè)小的 AC 部分（大約 10mV 峰峰值 ）。 大的直流部分是由身體組織軸承部件的缺氧和散光引起的 。 這部分信號是 LED 發(fā)出光強(qiáng)度的一部分。 小的交流部分由氧軸承部件比 如動(dòng)脈的光調(diào)制加上 50/60Hz 環(huán)境光噪聲組成。 這部分信號需要被提取和放大。 LED 的電平控制使用圖 2 的電路努力保持 OA0 的輸出在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。正常的紅色 LED 和紅外的紅色 LED 被分別控制在這預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。 兩個(gè) LED 的輸出在一個(gè)小的寬限內(nèi)有效地相互匹配。 OA0 輸出的交流部分的提取和放大被第二級 OA1 執(zhí)行。直流跟蹤濾波器提取信號的直流部分并把它用作 OA1 的偏移輸入。由于 OA1 只放大其識別的兩個(gè)終端信號間的差，因而只有輸入信號的交流部分被放大。直流部分被有效濾除了。 OA1 的偏移也被放大并被加到了輸出信號中。這需要在稍后被濾除。 硬件的時(shí)分復(fù)用 圖 9 硬件的時(shí)分復(fù)用 Timer A 被用來控制復(fù)用序列和自動(dòng)開始 ADC 轉(zhuǎn)換。 在 CCR0 中斷中，一個(gè)新的 LED 序列被初始化并有如下操作： ? DAC12_0 控制位 DAC12OPS 根據(jù)哪一個(gè) LED被驅(qū)動(dòng)來置位或清零。端口 2被設(shè)置來點(diǎn) 第 11 頁 亮相應(yīng)的 LED。 ? DAC12_0 的新值被設(shè)置為相應(yīng)的光強(qiáng)水平 ? DAC12_1 被設(shè)置為對某個(gè)特定 LED 的直流跟蹤濾波器輸出 注意 OA1 放大 OA0 OUT 和 DAC12_1 間的差值。 隨著可見光 LED 的強(qiáng)度被調(diào)整， DAC12_1 信號會(huì)由于針對兩個(gè) LED 的 OA0 輸出相等而變成一條直線。 ADC 轉(zhuǎn)換被自動(dòng)觸發(fā)。它采兩個(gè)樣，一個(gè)是針對直流跟蹤的 OA0 輸出，另一個(gè)是 OA1 輸出，它們來計(jì)算心跳和氧氣水平。這兩個(gè)樣品使用內(nèi)部采樣計(jì)時(shí)器通過設(shè)置 ADC 控制寄存器中的 MSC 位來一個(gè)接著一個(gè)取樣。 為了節(jié)省電力， 在 ADC轉(zhuǎn)換完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷， 通過把 DAC12_0清零來告訴 MCU關(guān)掉 LED。 交流部分的信號 調(diào)節(jié) 圖 10 交流部分的信號調(diào)節(jié) OA1 的輸出被 ADC 以 1000 sps 采樣， 在紅外 紅色 LED 和正常 紅色 LED 間交替。因此每個(gè) LED 信號以 500 sps 速率被采樣。 OA1 輸出采樣必須去掉直流分量。 一個(gè)高通數(shù)字濾波器在這里是不切實(shí)際的， 因?yàn)橐蟮慕刂诡l率非常低。取而代之的是一個(gè) IIR 濾波器被用來跟蹤直流電平。然后直流被從輸入信號中減去來得到最終的交流數(shù)字信號。 采樣的信號被數(shù)字濾波來去掉 50Hz 和以上的環(huán)境噪聲。 一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為 6Hz 和在 50Hz 及 以上頻率有 50dB 衰減的低通 FIR 濾波器被采用。 在這個(gè)階段，信號類似于通過動(dòng)脈的心跳脈沖。 直流跟蹤濾波器 圖 11 跟蹤濾波器框圖 這是一個(gè) IIR 濾波器。該濾波器的工作能被很好地直觀理解。這個(gè)濾波器會(huì)在上 第 12 頁 次輸出值的基礎(chǔ)上加上輸入值和上次輸出值的差的一小部分來組成新的輸出值。 如果輸入有一個(gè)階躍變化， 通過一段時(shí)間后輸出將變?yōu)楹洼斎胂嗤? 變化率由系數(shù) K 來控制。 K 通過實(shí)驗(yàn)得到 。 因此如果輸入包含交流部分和直流部分， 系數(shù) K 會(huì)相當(dāng)小來產(chǎn)生相對于交流部分頻率的時(shí)間常數(shù)。通過 一段時(shí)間后，交流部分會(huì)在累加過程中被取消，輸出只會(huì)跟蹤輸入的直流部分。 為了保證有充足的動(dòng)態(tài)范圍，計(jì)算在雙精度下完成， 32 位。最終只有最有意義的 16 位被使用。 通信鏈接 微控制器是用于計(jì)算心臟速率，合并所述運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)，并處理該 AFE 的信息。微控制器應(yīng)具有特定的功能，包括維護(hù)上下文在所有時(shí)間的能力。它也應(yīng)該有一個(gè)有限的功率預(yù)算，因?yàn)樗鼤?huì)持續(xù)運(yùn)行，沒有人愿意耗盡電池。運(yùn)動(dòng)傳感器傳感器是人機(jī)界面（ HMI）的基本組成部分。他們幫助系統(tǒng)識別的背景和的環(huán)境條件。運(yùn)動(dòng)傳感器如加速計(jì)，陀螺儀，和磁力幫 助確定是否一人就座，散步，或跑步。它們識別手臂，手腕或其他特定部分的取向鍵元件身體在那里活動(dòng)監(jiān)視器所在的。它們還有助于以跟蹤移動(dòng)距離和增加的分辨率提供的系統(tǒng)的更準(zhǔn)確的位置在 GPS 與航位推算算法。 通信鏈接 系統(tǒng)具有無線和有線通信鏈路。所述無線通信鏈路是基于在 BLE和是基于 、一個(gè) FCC 認(rèn)證（美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）系統(tǒng)級的 PCB（印刷電路板）的模塊可在網(wǎng)上，只需要很少的外部元件。該模塊可與基于 AT 的命令和易于使用，因?yàn)樗ㄓ糜谔幚硭械木W(wǎng)絡(luò)處理器通過藍(lán)牙 協(xié)議棧所需的事務(wù)。有線通信是基于。微控制器的內(nèi)置模塊只需要很少的外部元件。 USB 也用于充電的鋰聚合物電池。 電池充電器工作于任一 USB端口或 AC 適配器，并且支持充電電流高達(dá) A 的輸入電壓范圍輸入過壓保護(hù)支持非穩(wěn)壓適配器。 USB 輸入電流限制精度和 啟動(dòng)序列使電池充電器以滿足 USBIF 的浪涌電流規(guī)范。此外，輸入功率動(dòng)態(tài)管理防止充電器崩潰錯(cuò)誤地配置 USB來源。電池電量計(jì)電路易于配置的微控制器外設(shè)提供系統(tǒng)端電量計(jì)量的單節(jié)鋰離子電池。該器件只需要極少的用戶配置和系統(tǒng)微控制器固件發(fā)展。在電池電量監(jiān)測計(jì)采用阻抗跟蹤算法的電量計(jì)量，并提供信息，如剩余電池容量（ mAh），狀態(tài)充電（％）和電池電壓（毫伏） 。 在 脈搏血氧儀 應(yīng)用 CPU的操作可大致分為兩種模式 。紅外（ IR） LED 操作和視覺紅色（ VS）的 LED 操作。 CPU進(jìn)入這些模式的順序，每 2 毫秒。在每個(gè)模式中，沿著與 相應(yīng)的 LED 和各種外圍設(shè)備的 CPU的是活性為 ? 毫秒，然后進(jìn)入低功耗模式與兩個(gè)發(fā)光二極管關(guān)斷期間（ ? 毫秒）的其余部分。四晶體管 H 橋是一個(gè)可變增益電路，其接通和打開的發(fā)光二極管斷開，這排列消耗由板所消耗的總電流的顯著部分所消耗的電流，然而，取決于用于轉(zhuǎn) DAC0 輸出開在 NPN 晶體管。的 DAC0 輸出控制 LED的光強(qiáng)度，使得它們很好預(yù)先確定的目標(biāo)范圍內(nèi)。光強(qiáng)度控制在軟件中通過比較完成 LED 光強(qiáng)度與以前的高目標(biāo)，低門檻采樣 [FIRST_STAGE_TARGET_HIGH 和FIRST_STAGE_TARGET_LOW， 如果 LED 亮度超出目標(biāo)范圍，細(xì)或粗步數(shù)被用于將LED 亮度早在正確的方向。該 DAC0_DAT 寄存器，然后裝入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 LED 燈強(qiáng)度應(yīng)該是相當(dāng)高的，因?yàn)槿跣盘柦o在后期效果差。由于 DAC12_0DAT 寄存器的值發(fā)生 第 13 頁 變化取決于以前的采樣數(shù)據(jù)分， 脈搏血氧儀 板的電流消耗是不一樣的 . 在所有時(shí)間。為了易于消耗電流計(jì)算， 4晶體管 H 橋的操作可以被分成兩種案例（案例 1 和案例 2）。這些案例代表了兩個(gè)極端的 H 橋電流消耗場景： 案例 1 指的情況 是 DAC12_0DAT = 0x047E，這意味著， VThof NPN 晶體 管 = 伏（ VREF = ）和最小電流流經(jīng) H 橋電路的 ON路徑。 案例 2 所指的情況 是 DAC12_0DAT = 0x0FFF 和最大電流流過接通路的 H 橋電路 案例 1 和第 2 種情況是極端的電流消耗的情況下的 H 橋電路，電流會(huì)消費(fèi)將永遠(yuǎn)是看到在兩種情況下的電流數(shù)字之間。 紅外燈操作 如圖所示，紅外燈操作包括所述 AM1_IR（定時(shí)器 A0 ISR）中， AM2_IR 的（ ADC12 ISR）和所述 LPM0 模式，以相同的順序。在紅外燈的操作：（ 1）紅外燈開啟 ON（在定時(shí)器 A0 ISR），以樣品中的模擬鏈所需的信號，然 后調(diào)整 OFF（ ADC12 中 ISR）前將低功耗模式（ 2）以前在 VS 的采樣數(shù)據(jù)的 LED 操作（ AM1_VS）從 ADC12MEMx 寄存器讀取，處 理和累計(jì)計(jì)算％血氧飽和度。 在紅外燈操作， CPU進(jìn)入定時(shí)器 A0 ISR 被稱為主動(dòng)模式 1 IRLED 運(yùn)行（在當(dāng)前輪廓表示為 AM1_IR），并執(zhí)行以下步驟： 該 DAC12_0 輸出控制位 DAC12OPS 設(shè)置和 被拉低，使的路徑上 H 橋，其包括晶體管 Q1 和 T2。此配置輪番紅外燈開啟并允許有足夠的時(shí)間進(jìn)行取樣前的模擬信號鏈變得穩(wěn)定。 從先前的 VS 的 LED 操作獲得的采樣和轉(zhuǎn)換后 的數(shù)據(jù)被從讀 ADC12MEMx 注冊。 對 VS 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被進(jìn)一步處理以（ 1）中提取的信號的唯一的交流分量為 ％血氧飽和度的計(jì)算 跟蹤與所述信號相關(guān)聯(lián)的 DC 分量，并更新 DAC12_1DAT 注冊并在匝電壓OA1 的偏移量 .確保 LED 亮度是內(nèi)目標(biāo)范圍，以便它可以正確地在下一序列來處理。 該 CPU處于 AM1_IR 模式 ? 毫秒，在此期間，定時(shí)器 A1 觸發(fā) ADC12 采樣。 ADC12 被配置成采樣兩個(gè)通道（ A1 OA0 輸出和 A3 OA1 輸出）在一個(gè)單個(gè)序列模式。該 ADC12 需要大約 32μ s 來完成轉(zhuǎn)換的順序和與 ADC12IFG 標(biāo)志設(shè)置，它等待 CPU 退出定時(shí)器 A0 ISR。 退出定時(shí)器 A0 ISR（ AM1_IR）后， CPU進(jìn)入 ISR ADC12 被稱為了紅外主動(dòng)模式 2 LED 運(yùn)行（在當(dāng)前配置文件表示 AM2_IR）。該 CPU處于 AM2_IR 模式 ? 6 微秒，在此期間執(zhí)行下列步驟： 該 DAC12_0DAT 寄存器清零和 端口引腳設(shè)置為強(qiáng)制邏輯高電平輸出。此斷開晶體管 Q1 和 T2 和在轉(zhuǎn)動(dòng)的 IR LED。 該 DAC12_1DAT 寄存器清零。 用紅外燈切換到 OFF 時(shí)， CPU進(jìn)入低功耗模式 0（在表示為 LPM0_IR 當(dāng)前配置文件），并等待在 那里 ? 614 微秒，直到計(jì)時(shí)器 A0 中斷 CPU啟動(dòng) VS LED 操作。 第 14 頁 4 血氧模塊軟件設(shè)計(jì) 初始化程序 定時(shí)器設(shè)置 利用 MSP430F247 的定時(shí)器 A 可在 口產(chǎn)生一個(gè)頻率為 5000Hz 的 PWM 波信號用以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。定時(shí)器 A的位數(shù)可編程。包含計(jì)數(shù)，比較