【正文】 的長度。然而，在生物介質(zhì)中其它變量，諸如骨骼，皮膚，組織，肌肉和血液也散射光。因此，比爾 朗伯定律是無法解釋所有這些變量。 如圖 2， PPG 信號的幅度取決于 在每個 收縮周期中從心臟 噴射的血液量 ， 血液的光吸收 ， 皮膚和各種組織成分 的吸收，和 用來照亮血管組織床 的 特定波長 。這種額外的血液吸收更多的光，從而減少了其透射或反向散射的光強度。 PPG 信號的脈動部分被認為是“ AC”分量 ， 非脈動的一部分 ，大部分產(chǎn)生于 靜脈血，皮膚和組織，被稱為的“ DC”分量。這對傳輸或反向散射光強度的依賴可以通過使用歸一化技術(shù)，其中的交流分量由 DC 分量劃分來補償，如在給定的下面的等式： R ACR∕ DCR — = ———— IR ACIR∕ DCIR 因此，由于靜脈血或周圍組織的不隨時間變化的吸收不具有對測量的任何影響。 大多數(shù)脈搏血氧儀測量在兩個不同的波長吸光度 ， 并利用從 CO血氧測量儀 通過憑經(jīng)驗查找為血氧飽和度值 收集數(shù)據(jù) 校準 。并且，是與特定吸收線性回歸系數(shù)血紅蛋白和 含氧 血紅蛋白 的系數(shù)， 常量 A 和 B 是 根據(jù)在被檢體內(nèi)的校準通過關(guān)聯(lián)的脈沖計算出的比率而得經(jīng)驗 。脈搏血氧儀讀取血液中的血氧飽和度足夠準確為正常情況下的臨床使用，因為它們使用基于在圖 4中所示的經(jīng)驗數(shù)據(jù) 的 校準曲線。 該閉值的具體數(shù)值需由實驗測定 。 當檢測到有手指放入后啟動測量 。 調(diào)制光脈沖信號透過組織后被光敏 二極管接收 ， 轉(zhuǎn)化為電壓信號 ， 就得到了經(jīng)過調(diào)制的光電容積脈搏波信號 。 第 7 頁 圖 5 系統(tǒng)框圖 圖 5 描繪了系統(tǒng)的框圖 ,兩個 LED 燈以 500 次每秒時分復用 , 因此 PIN 二極管被不同的 LED 燈源交替激活 。 采樣通過 ADC12 的硬件被正確排序， MCU 軟件對紅外燈部分和紅燈部分進行分離。實時采樣數(shù)據(jù)也通過 RS232 傳輸?shù)絇C。除了 MCU 和四個晶體管，這個設計只需要一些無源器件。這個探頭有一個手指甲大小的集成傳感器并且使用非常方便。 德州儀器 MSP430 系列微控制器 的 體系結(jié)構(gòu) ,結(jié)合廣泛的低功耗模式 ,優(yōu)化來達到延長電池壽 命在便攜式測量的應用。數(shù)控振蕩器 (DCO)允許在 ( 典型的 )從低功耗模式喚醒 到 主動模式。 MSP430 的 CPU是高效的 16 位 RISC體系結(jié)構(gòu)。 CPU集成提供的 16 個寄存器減少指令執(zhí)行時間。 R0 R3四個寄存器 ,是 專用程序計數(shù)器 ,狀態(tài)寄存器和堆棧指針 、 常數(shù)發(fā)生器。外圍設備連接到 CPU使用數(shù)據(jù) ,地址和 第 8 頁 控制 總線 ,可以處理所有指令。 三種格式和七個地址擴展模式和額外的指令地址范圍。 MSP430 的有一個活躍的模式和六個軟件可選的低功耗模式的操作。 RAM 內(nèi)存由 n 個扇區(qū) 。有 8 個 8 位的 I / O 端口實現(xiàn) :80 引腳封裝包括 ,P1,P2,P3,P4,P P6 和 P7,P8是 3 個 IO 口線 。 允許 任何組合的輸入、輸出和中斷條件。在所有端口是可編程驅(qū)動 能力 。 此器件包含一個具有集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 的低噪聲接收器通道、一個 LED 發(fā)射部件和針對傳感器以及 LED 故障檢測的診斷功能 。發(fā)射 集成發(fā)光二極管 LED 驅(qū)動器（ H橋、推挽） ，動態(tài)范圍 95dB。 低功耗 、 可編程 LED 接通時間 ， 獨立的 LED2 和 LED1電流基準 。 集成數(shù)字環(huán)境估算和刪減 ， 靈活的接收采樣時間 ， 具有可編程 LED 設置的靈活轉(zhuǎn)阻放大器 。 應用 于 低成本醫(yī)療脈沖血氧儀應用 、 光學心率監(jiān)視器 (HRM)和 工業(yè)光測量 等 應用 。 TI的 afe4400，結(jié)合 LED驅(qū)動電路和光電二極管的信號在一個單一的計劃調(diào)節(jié)電路，這是新一代的模擬前端可驅(qū)動 LED電流采用 H橋能驅(qū)動多達 150毫安的配置，具有短路保護。 圖 6 AFE 集成 LED 驅(qū)動電路和光電二極管信號 第 9 頁 LED 脈沖的生成 圖 7 LED 驅(qū)動電路 有兩個 LED 燈，一個用于可見紅光波長，另一個用于紅外波長。 為了點亮它們，一個 H 橋被安排使用。 Port 和 Port 驅(qū)動這個互補電路。 這整個電路是時分復用的。當一個引腳沒有被選擇來輸出 DAC0 信號，它被設置為 HiZ 或低電平。 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。 OA0，三個內(nèi)置運算放大器之一，被用來放大這個信號。 從 OA0 輸出的信號由一個大的直流部分（大約 1V）和一個小的 AC 部分（大約 10mV 峰峰值 ）。 這部分信號是 LED 發(fā)出光強度的一部分。 這部分信號需要被提取和放大。正常的紅色 LED 和紅外的紅色 LED 被分別控制在這預設范圍內(nèi)。 OA0 輸出的交流部分的提取和放大被第二級 OA1 執(zhí)行。由于 OA1 只放大其識別的兩個終端信號間的差，因而只有輸入信號的交流部分被放大。 OA1 的偏移也被放大并被加到了輸出信號中。 硬件的時分復用 圖 9 硬件的時分復用 Timer A 被用來控制復用序列和自動開始 ADC 轉(zhuǎn)換。端口 2被設置來點 第 11 頁 亮相應的 LED。 隨著可見光 LED 的強度被調(diào)整， DAC12_1 信號會由于針對兩個 LED 的 OA0 輸出相等而變成一條直線。它采兩個樣，一個是針對直流跟蹤的 OA0 輸出，另一個是 OA1 輸出，它們來計算心跳和氧氣水平。 為了節(jié)省電力， 在 ADC轉(zhuǎn)換完成時會產(chǎn)生一個中斷， 通過把 DAC12_0清零來告訴 MCU關(guān)掉 LED。因此每個 LED 信號以 500 sps 速率被采樣。 一個高通數(shù)字濾波器在這里是不切實際的， 因為要求的截止頻率非常低。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。 一個轉(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。 直流跟蹤濾波器 圖 11 跟蹤濾波器框圖 這是一個 IIR 濾波器。這個濾波器會在上 第 12 頁 次輸出值的基礎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。 變化率由系數(shù) K 來控制。 因此如果輸入包含交流部分和直流部分， 系數(shù) K 會相當小來產(chǎn)生相對于交流部分頻率的時間常數(shù)。 為了保證有充足的動態(tài)范圍，計算在雙精度下完成， 32 位。 通信鏈接 微控制器是用于計算心臟速率，合并所述運動傳感器的數(shù)據(jù)，并處理該 AFE 的信息。它也應該有一個有限的功率預算，因為它會持續(xù)運行，沒有人愿意耗盡電池。他們幫助系統(tǒng)識別的背景和的環(huán)境條件。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監(jiān)視器所在的。 通信鏈接 系統(tǒng)具有無線和有線通信鏈路。該模塊可與基于 AT 的命令和易于使用，因為它包括用于處理所有的網(wǎng)絡處理器通過藍牙 協(xié)議棧所需的事務。微控制器的內(nèi)置模塊只需要很少的外部元件。 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 A 的輸入電壓范圍輸入過壓保護支持非穩(wěn)壓適配器。此外，輸入功率動態(tài)管理防止充電器崩潰錯誤地配置 USB來源。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 脈搏血氧儀 應用 CPU的操作可大致分為兩種模式 。 CPU進入這些模式的順序，每 2 毫秒。四晶體管 H 橋是一個可變增益電路，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。光強度控制在軟件中通過比較完成 LED 光強度與以前的高目標，低門檻采樣 [FIRST_STAGE_TARGET_HIGH 和FIRST_STAGE_TARGET_LOW， 如果 LED 亮度超出目標范圍，細或粗步數(shù)被用于將LED 亮度早在正確的方向。 LED 燈強度應該是相當高的，因為弱信號給在后期效果差。為了易于消耗電流計算， 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）。 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，電流會消費將永遠是看到在兩種情況下的電流數(shù)字之間。在紅外燈的操作：（ 1）紅外燈開啟 ON（在定時器 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 理和累計計算％血氧飽和度。此配置輪番紅外燈開啟并允許有足夠的時間進行取樣前的模擬信號鏈變得穩(wěn)定。 對 VS 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被進一步處理以（ 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)目標范圍，以便它可以正確地在下一序列來處理。 ADC12 被配置成采樣兩個通道（ A1 OA0 輸出和 A3 OA1 輸出）在一個單個序列模式。 退出定時器 A0 ISR（ AM1_IR）后， CPU進入 ISR ADC12 被稱為了紅外主動模式 2 LED 運行（在當前配置文件表示 AM2_IR）。此斷開晶體管 Q1 和 T2 和在轉(zhuǎn)動的 IR LED。 用紅外燈切換到 OFF 時， CPU進入低功耗模式 0（在表示為 LPM0_IR 當前配置文件），并等待在 那里 ? 614 微秒，直到計時器 A0 中斷 CPU啟動 VS LED 操作。定時器 A的位數(shù)可編程。輸出為模式 3：增減計數(shù)模式。其值設置為200,計數(shù)器 TAR 可以增計數(shù)到 CCR0 的值，當計數(shù)值與 CCR0的值相等 (或定時器值大于CCR0 的值 )時，定時器復位并從 0 開始重新計數(shù)。 Void InitTimerA(void) { TACTL = TASSEL1 + TACLR + ID_3。 // 200/1M= 5000HZ TACCTL2 = OUTMOD_2。 // CCR2 PWM duty cycle TACTL |= MC1+MC0。我們設置定時器 B工作在增計數(shù)模式，給 CCR0 賦值為 33333 即為 33333/8M=。 MSP430 的 UART 是軟件配置 去 以這樣的速度傳輸數(shù)據(jù) 。對于 GUI 軟件等待數(shù)據(jù)序列為“ 0x000xFF 的”，只有后接收的數(shù)據(jù)序列相匹配時，字節(jié)按照被識別為實際的數(shù)據(jù)字節(jié)。 。 // synchronization byte1 = 0x00 while (!(IFG1 amp。 TXBUF0 = 0xFF。 UTXIFG0))。 // Infrared AC heart signal sample while (!(IFG1 amp。 TXBUF0 = heart_rate_LSB。 UTXIFG0))。 // Percentage Oxygen saturation 主程序設計 在主程序的大循環(huán)中，先對血氧變量進行初始化，然后對界面標志位進行檢測，根據(jù)界面的不同進