【正文】 max和出射光Imin比值的關系，而作為入射光Imax和出射光Imin比值對數(shù)的吸光度將不受儀器測量誤差的影響，從而保證了光譜數(shù)據(jù)吸光度的準確性。（3）接觸壓力動態(tài)光譜法中壓力的變化將同時影響Imax和Imin，且由于動態(tài)光譜的測量僅僅與動脈組織有關，所以接觸壓力變化帶來的影響必然會減小，光譜數(shù)據(jù)也不會受較大的影響。從而降低了光譜檢測的條件要求，提高了檢測的質量。動態(tài)光譜法正是基于想實現(xiàn)消除個體差異的設想而提出的新的檢測方法，因此消除了個體差異的動態(tài)光譜法理論上大大提高了血液成分的檢測精度。近幾年來國內也相繼研制出一些脈搏血氧儀，但在測量精度和穩(wěn)定性方面還未能很好的解決，尚未在臨床上得到廣泛應用。傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)多是通過模擬技術完成信號處理、檢測等一系列工作的。系統(tǒng)主要分為驅動和檢測兩大部分。調控的方法一般是利用D/A等硬件設備通過調節(jié)發(fā)光管驅動電流的大小分別將雙光束直流透射信號調節(jié)在一個固定的電壓或某個電壓范圍內。前級光電檢測電路將光電流信號轉換為光電壓信號，后經放大和解調等環(huán)節(jié)將通過調制的數(shù)字信號重新恢復成模擬信號，然后通過雙光束分離電路將雙脈沖序列分離為紅光信號和紅外光信號兩部分，再經交直流分離電路分別將紅外光信號，紅光信號中的脈動成分與直流分量分開，形成4路信號，其中直流分量直接送A/D采樣，交流量再通過低通濾波和交流放大后送A/D采樣，4路信號采樣后的結果送單片機。最后由單片機完成脈率，血氧飽和度計算。這種復雜的硬件電路使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和可重復性差，也為信號檢測帶來了不可避免的系統(tǒng)誤差和測量隨機誤差。 基于DS的脈搏血氧測量系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件組成 總體設計思想與系統(tǒng)構成由上文可以看出，傳統(tǒng)脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)采用了復雜的模擬電路來完成諸如調制解調、雙光束分離、交直流分離、濾波放大、脈搏波檢出和交直流分量獲取等一系列工作。本系統(tǒng)針對傳統(tǒng)脈搏血氧檢測系統(tǒng)的缺陷，提出了數(shù)字化設計的思想，采用現(xiàn)代微處理器和集成電路技術來簡化硬件電路。所述紅光發(fā)光管（3）、紅外發(fā)光管（4）分別與發(fā)光驅動器（2）的兩路輸出電連接，發(fā)光驅動器（2）的輸入與微處理器（1）信號連接，該微處理器（1）含有帶外部中斷功能的I/O口、通用串行接口。 微處理器（1）可以是任何一種具有外部中斷功能的I/O口、通用串行接口，可計時的微處理器，應盡可能選用較高的系統(tǒng)時鐘頻率。微處理器（1）周期性地按時序輸出兩路脈沖信號，通過驅動器（2）依次驅動紅外發(fā)光管（4）、紅光發(fā)光管（3），發(fā)出的光脈沖經人體組織（7）衰減和調制后為光頻率轉換器（5）所接收，并轉換成頻率和脈沖光強成線性比例關系的脈沖串傳送至微處理器（1）I/O口。微處理器（1）根據(jù)所檢測到的每路光脈沖周期及其波動量計算出相應的直流分量和交流分量，從而按通常的脈搏血氧儀求得容積脈搏波數(shù)據(jù)，脈搏血氧飽和度及心率值。發(fā)光管驅動器（2）采用固定的脈沖電壓和電流驅動紅外發(fā)光管（4）、紅光發(fā)光管（3）發(fā)光，這種固定脈沖電流驅動的方法可以簡化硬件設計，節(jié)約體積和成本。為減少組織對測量精度的影響，選擇光波波長時，要求氧合血紅蛋白(HbO2)和非氧合血紅蛋白(Hb)對它的吸光系數(shù)要大于非血液組織對它的吸光系數(shù)，但不要太大使透過部分難于檢測。原理推導中要求其中一波長對氧合血紅蛋白(HbO2)和非氧合血紅蛋白(Hb)的吸光系數(shù)相等，該光波波長應該選在805nm左右，而該點的吸光系數(shù)隨波長變化梯度較大，這樣當發(fā)光管存在個體差異時，不利于調試替換。另一光波長選在660nm波長附近，檢測光附近還原血紅蛋白（Hb）表現(xiàn)出強烈的吸收特性，該波長處光對氧合血紅蛋白(HbO)和非氧合血紅蛋白(Hb)吸收系數(shù)之差近似最大。2． 驅動電路 脈搏血氧飽和度檢測以光電檢測技術為基礎，因此，周圍雜散光、暗電流等各種干擾對系統(tǒng)影響比較大。調制就是使光的強度、振幅、頻率或相位等某一個(或幾個)參數(shù)按一定規(guī)律變化。從信息攜帶與檢出要求看，采用調制光攜帶信息可使光信號自身具有與背景輻射不同的特征，有利于和背景輻射區(qū)分開，除了抑制背景光干擾外，調制對抑制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場干擾也有一定作用。脈沖調制不是傳送調制信號的每一個瞬時值，而只是傳送其采樣值，只要采樣頻率足夠高（按奈奎斯特采樣定理，只要采樣頻率fs等于或大于信號最高頻率的兩倍），則可由采樣脈沖來恢復原信號，而不會導致失真。脈沖信號的頻率選定為工頻整數(shù)倍以降低工頻干擾，本系統(tǒng)的驅動頻率分別選用400Hz和800Hz。原理圖如下：圖34 SGM3005的原理圖 當RDDRV為高電平時，COM1接NO1接電源為高電平，及RD+為高電平，驅動后面的紅光二極管發(fā)光。 同理可得紅外光的發(fā)光原理。開關斷開后COM1接NC1懸空，但COM2仍接電源繼續(xù)為系統(tǒng)供電。圖35 電路板供電設計圖圖36 芯片的供電設計圖NCP511系列是一個帶有使能端的穩(wěn)壓器，其引腳定義如下：Vin 電壓輸入端Vout 電壓輸出端 是穩(wěn)壓使能端NC 閑置端G 接地MCP1702為一常見的三端穩(wěn)壓器。 串口設計及外USB座的設計圖37 串口通信及USB設計圖 CP2102是一個高集成的USBUART的轉換控制器。內置USB收發(fā)器，無需外接電阻。內置1024ByteEEPROM來存儲產品ID，系列號，電源描述和釋放碼等信息。 我們采用10針的USB座既實現(xiàn)了傳統(tǒng)USB的數(shù)據(jù)傳輸功能，還能外接探頭進行需氧飽和度的測量。圖38 外接存儲器設計M25P40含有8個單元，每個單元有256頁，每頁有256個字節(jié)共計4M位。 DO 在時鐘下降沿數(shù)據(jù)移出CS 片選端，當為高電平時，芯片處于待機模式。TSL 寫保護是為了保護向存儲器特定的存儲單位寫入數(shù)據(jù)。充電電源芯片本身可自動選擇，當AC與USB同時接入時會自動選擇直流電與適配器進行充電。采用USB充電時，可通過外部引腳選擇充電電流為100mA或為500mA。CHG_in 直流電源適配器輸入USBpow USB電源輸入GND 電源地USB_sel 當把此引腳拉低時，使USB電源的充電電流為100mA,此引腳拉高時 USB充電電流為500mA。start1和start2為指示充電狀態(tài)位，采用開漏輸出，可驅動普通的發(fā)光二極管或通用I/O口。指示充電狀態(tài)。 液晶模塊及其驅動電路設計圖310 液晶驅動電路設計 。得到液晶屏的偏執(zhí)電壓。內含128*96*18bit靜態(tài)存儲器。 基于MSP430平臺系統(tǒng)的設計MSP430 系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點:強大的處理能力 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（ RISC ）結構，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns 。在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時， 芯片的電流會在 200~400uA 左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產生 CPU 和各功能所需的時鐘。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達 。然后軟件可設置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉換；硬件 I 2 C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。MSP430 單片機目前主要以 FLASH 型為主。下面選擇MSP430F247的重要模塊進行介紹: 低功耗：CPU內狀態(tài)寄存器SR中的SCGSCGOscOff和CPUOff是重要的低功耗控制位。在中斷子程序執(zhí)行期間，通過間接訪問堆棧數(shù)據(jù)，可以操作這些位；這樣允許程序在中斷返回后，以另一種功耗方式繼續(xù)運行。 SCG0： 復位，激活直流發(fā)生器，只有SCG0置位，并且DCOCLK沒有被用作MCLK或SMCLK時，直流發(fā)生器才能被禁止?？刂莆籗CGSCG0、CPUOFF、。計數(shù)器是主體它是一個開啟和關閉的定時器，如果開啟它就是一直在循環(huán)計數(shù)，只會有一個溢出中斷，也就是當計數(shù)由0xffff到0時會產生一個中斷。CCR0比較特殊，通過他可以改變計數(shù)器的最大計數(shù)值，也就是當計數(shù)器計數(shù)到CCR0的值時自動會將計數(shù)器清零。同樣當計數(shù)器計數(shù)到CCR1和CCR2時，兩個單元也都會個產生一個中斷?？闯绦蛑械亩〞r器初始化模塊。它可對比較/捕獲寄存器進行設置，在這里只用到比較功能，也就是當計數(shù)到CCRx時產生中斷，由于CCTLx默認的是比較功能，所以一般也就只用到CCIE這個控制字，就是開啟相應比較器的中斷。如此可用定時器控制血氧采集頻率。、。這種方法省去了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)中雙光束分離的復雜模擬電路，并且避免了雙路信號分別放大濾波引起的測量誤差。并且由于雙路光信號同時調制，使出射光強成為兩路光信號的疊加，從而增加了光強提高了信噪比。圖313 發(fā)光二極管的發(fā)光時序圖 ，脈沖信號是占空比為1:1的方波。本系統(tǒng)采用的對兩路光信號分離的解調方法。為了方便分析，假定我們取一段數(shù)據(jù)進行處理，將紅光發(fā)光時序中的一個周期方波脈沖作為一個周期T，將數(shù)據(jù)按照周期T分為N個序列，則數(shù)據(jù)以周期T分割后的序號為1，2，…，n，…，N，那么n則代表該數(shù)據(jù)段中的第n個周期。各周期內的四個時區(qū)所對應的光強值分別用函數(shù)來表示，n代表序列中的第n個周期。則第n個周期內的四個時區(qū)所對應的光強分別表示為：設經解調和雙光束分離算法后在第n個周期內所得到的由紅外光照射引起的變化信號的采樣值分為表示為和，紅光采樣值表示為和，則 ：在第n個周期中，四個時區(qū)內采樣得到的信號分別由于在非常短的時間內采樣信號可看作不變的直流量，則所得到的數(shù)據(jù)是消除了紅光和背景光部分的貢獻，得到的僅僅是由紅外光照射后所得到的采樣點，而所得到的數(shù)據(jù)是消除了紅外光和背景光部分的貢獻，得到的僅由紅光引起的變化量。解調后的紅外光信號采樣點序列為：紅光信號采樣點序列為：其中N代表數(shù)據(jù)以周期T為單位被劃分為N個周期，n代表第n個周期。不僅簡化了復雜的雙光束分離的硬件電路，同時也提高了信噪比。其中內嵌著C語言和匯編語言的調試器C一SPY。 Embedded Workbench開發(fā)平臺和調試器CSPY的簡單介紹Embedded Workbench是由IAR公司開發(fā)的一個使用于各種不同CPU的目標系統(tǒng)開發(fā)的集成環(huán)境。其中包括了如下使用工具:具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器。連接器。實現(xiàn)操作自動化的Make工具。其中CSPY是一個針對嵌入式應用程序的，功能強大的高級語言交互式調試器，它是一個獨立的軟件，但可以集成在Workbench環(huán)境下運行，實現(xiàn)C代碼或匯編代碼的執(zhí)行和調試。不論是在C語言環(huán)境下，還是在匯編語言環(huán)境下進行調試，用戶都可以根據(jù)程序需要在兩種工作環(huán)境下進行相互切換。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=。波特率設置為11520bps。 //8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，奇校驗 UCA1CTL1 |= UCSSEL1。 //8E 00 0E 57600 UCA1BR1 = 0x00。 //115200bpm UCA1CTL1