本帖最后由 xzezhen 于 2013-12-4 16:01 编辑
基于PSoC4的脉搏血氧饱和度检测仪设计
1、设计要点 脉搏血氧饱和度是生命体征中最重要标志之一，有效提取生命体征数据，对病伤者救治过程具有重大意义。而传统上的脉搏血氧饱和度检测仪具有价格高、体积大、功耗大等特点，难于普及到消费者中。本设计将描述一种以实用性为基础，以低价格、低功耗、高可靠性为主要设计理念，探究采集脉搏血氧饱和度信号的方法。以PSoC4可编程片上系统为核心的无创式脉搏血氧饱和度检测装置的设计框架,同时给出本设计的软硬件系统结构,检测结果利用LCD实时显示波形信号，完成项目的初步设计。 2、设计原理 科学研究表明动脉血中的携氧血红蛋白（氧合血红蛋白）吸收红外(IR)光谱区中的光，未携氧的血红蛋白（脱氧血红蛋白）则吸收可见红(R)光。利用不同的光波长感应氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收属性，以测量动脉的血氧饱和度。 使用脉搏血氧仪进行测量时，一般是将包含两个LED（有时更多，取决于测量算法的复杂度）和一个光传感器（光电二极管）的一个夹子夹在病人的手指或耳垂上。一个LED发射红光（600 nm至700nm波长），另一个LED则发射近红外光（800 nm至900 nm波长）。夹子通过电缆与处理器单元相连。两个源电流分别快速并有顺序地激励相应的LED，源电流的直流电平取决于所驱动的LED。当光线透过组织时，检测器同步捕捉来自各LED的光线。脉搏血氧仪设计所用的低功耗、精密源电流（电流流入负载）或吸电流（电流流出负载）需要提供数十毫安的电流。这些电路中的有源元件包括低功耗精密运算放大器、精密并联基准电压源以及MOSFET或双极性晶体管。 3、设计方案 选材评估结果： 赛普拉斯PSoC 4架构面向嵌入式设计提供业界最灵活、最低功耗的ARM®Cortex™-M0器件，真正可扩展、可无限重配置的架构，采用组件设计方法。PSoC是集成了高性能模拟、可编程逻辑、内存及微控制器的嵌入式片上系统，具有高性能、低成本、更先进可编程片上系统。可重构的ARM Cortex-M0：通过拖放所需的模拟组件，按照希望的方式进行互连，用户就可创建满足应用的混合信号ARM Cortex-M0。真正可扩展的架构：产品所使用的基于PSoC Creator的系统设计方法，可以提供产品系列之间的无缝迁移;同时，丰富的产品组合可以轻松实现从传统的8位、16位MCU到强大的32位SoC的迁移。无限可能：当设计所需的定制产品时，可以利用广泛的充分测试并符合特征描述的组件，轻松实现可靠的设计方案。 (1)PSOC4内设高达48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持单周期乘法，对采集到的脉搏血氧信号进行快速数字处理。 (2)两个可灵活配置驱动能力和带宽的运算放大器，可以工作在比较器模式，也可做ADC 的输入缓冲器，可对传感器输出的电流转换成电压，做前端模拟信号处理。 (3)12 位1Msps 的逐次比较型模数转换器（SAR ADC）, 支持差分和单端输入，这样一个高性能的ADC模数转换，不再需要仪表放大器的另外开销，就可以实现差分电路和高精度ADC数模转换。 (4)PSOC4片上的DAC 产生时分复用的LED光源驱动信号，经驱动电路交替驱动血氧探头中的两路LED光源。内设LCD驱动器，大大提高了工程开发效率，实现波形信号显示功 (5)两个可灵活配置的串行通讯模块（SCB），实现跟上位机通信功能，方便扩展。 (6)电容感应CapSense，不需外接机械按键，即可实现环保的触摸按键功能。 (7)高达36 个可配置的GPIO，让本设计变得更加灵活，效率提高。 (8)可视化的图形编程模式，提高设计效率，缩短了工程开发。 可编程片上系统PSOC4在功能需求上不但满足了本设计的条件要求，而且其低廉的价格优势、功能强大、高可靠性、快速开发应用缩短了项目研发周期。是本产品设计的最佳解决方案。 4、设计框图
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4、设计框图
图(1) 基于PSoC4的脉搏血氧仪设计框架图
5、可行性分析
5、可行性分析
由图(2)和图(3)可以证实，基于PSOC3的脉搏血氧仪项目设计是可行性的。在保证项目设计可靠性的前提下，力求进一步完善，达到产品化的设计结果。基于ARM Cortex-M0内核的PSoC4将可配置的模拟和数字电路以及片上微控制器紧密集成，不仅减少了组件数量，还解决了工程师感觉难以入手复杂的信号链设计。PSoC能保证设计方案充分满足未来需求，避免最后时刻的技术规格变动造成巨大影响。此外，它还能支持在设计过程中任何时间点上进行固件修改，即便在产品现场使用阶段也能修改固件。所有PSoC器件均可支持动态重配置，从而使设计人员能即时修改资源，并利用更少的IC来完成任务。PSOC4的推出，使得可编程片上系统更加符合工程师们对产品设计要求。以其低功耗、高性能和低廉的价格优势，使得设计变得更加灵活、更加简单。以PSOC4为核心的脉搏血氧仪设计将是下一步项目方案实施过程。 6、设计总结本设计描述了基于PSOC4的脉搏血氧饱和度的检测设想，并提出了本设计的解决方案，同时充分论证了该方案的可行性。PSoC4具有强有力的竞争，拥有可向上和向下扩展的架构。面对现在的终端需求不断改变、功能不断增强的形势，在设计过程中，PSoC4支持在任何时间点修改固件，利用更少的器件实现功能，从而降低了系统成本。PSoC4解决方案更能充分满足市场未来的需求。
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发表于 2013-7-30 22:56:15
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