基于京微雅格CAP系统的便携式血氧仪解决方案

摘要：CAP系统是京微雅格将纯硬件的MCU处理器与可编程逻辑器件的有机结合，即能提供高性能处理器（增 强型8051）又提供了灵活的逻辑资源，客户可以在一个平台上完成FPGA与MCU的结合，能够节省系统电路板面积并减少系统的芯片数量。本文介绍了在京微雅格CAP系统上设计的便携式血氧仪方案。

　　随着便携医疗电子产品市场迅速发展，脉搏血氧仪日益广泛地被应用到病人多参数监护 领域，为临床提供实时数据。脉搏血氧仪是根据还原血红蛋白，氧合血红蛋白在红光和红外光区域的吸收光谱特性，运用朗柏-比尔（Lambert-Beer） 定律建立数据处理经验公式通过光电转换获取测量结果。

　　原理如下：D=In（Ii/Io）=kCd

　　其中，C为血液浓度，d为光透视血液经过路径，K为血液光吸收系数，Ii为透射光强度，Io为发射光强度。

　　血液中的HbO2（氧合血红蛋白）和Hb对不同波长的光吸收系数是不一样的，在波长600~700纳米的红光（RED）区，Hb的吸收率远比HbO2大，但在波长为800~1000纳米的红外光（IR）区，Hb的吸收率远比HbO2的小，在805纳米附近是等吸收点。

　　发光二极管工作时发出660红光和940的红外光，光电二极管检测器透过手指的动脉血管的红光和红外光通过光电转化成电信号，经过放大和滤波后，分别由模数转换器（ADC）转换成数字量。

　　血氧饱和度为SaO2=K1R’+K2R’+K3。其中，K1，K2，K3 是经验常数值，而R’是在很小的时间间隔上，两种光电信号的幅度变化量之比，即R’=△RED/△IR

　　血氧仪一般包括血氧饱和度检测模块，主控制器，血氧检测探头三个主要部分，典型结构如图2。

图1脉搏血氧仪夹指示意图
　　
图2血氧仪的电路构成

　　血氧检测探头光电二极管检测器，能产生正比于透视到它上面的红光和红外强度的电流，但它不能区分这两种光，可用一个定时电路来交替控制两个LED的发光时序。

　　图2所示脉搏血氧仪硬件电路以京微雅格M1（衡山）系列FPGA作为主控制器，整个硬件系统包括血氧检测头，LED桥式驱动电路，滤波放大电路，系统外部电路组成。

　　由M1引出的两个驱动信号交替控制LED桥式驱动器三极管的开启和关断，并有定时器输出两路PWM脉宽调制信号驱动LED桥式电路，用于驱动探头内的红 光与红外光LED 发光，并产生周期性光信号。探头内的光电二极管检测器采集含有血氧的光信号，经光电转化产生电信号，滤波放大电路将得到的电信号进行低通滤波和信号放大。

　　FPGA对放大后的信号进行A/D转换，其中一路A/D采样值用于检测LED桥式驱动信号的幅度，另外一路A/D用于系统计算血氧值信号。同时用于接口扩展键盘、LCD等。

　　CME系列FPGA含有增强型8051内核，具有200MHz的运算速度，丰富的外设，丰富的FPGA逻辑资源，物尽所用，真正意义上实现了SoC，是满足用户多样化设计需求的最佳选择方案。

　　参考文献：

　　［1］ 刘波文，黎胜容.ARM嵌入式项目开发三位一体实战精讲［M］。北京： 北京航空航天大学出版社，2011