采用ADuC7024精密模擬微控制器的ADI脈搏血氧儀解決方案

脈搏血氧儀以非介入方式測(cè)量血液中的含氧量，包括發(fā)射路徑，接收路徑，顯示和背光，數(shù)據(jù)接口以及音頻報(bào)警。發(fā)射路徑包括紅光LED，紅外光LED和用于驅(qū)動(dòng)LED的DAC。路徑接收光電包括二極管傳感器，信號(hào)調(diào)理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器。ADI的脈搏血氧儀解決方案采用控制器ADuC7024精密模擬微控制器，具有多達(dá)16路的12位1MSPS的ADC和采用ARM 7TDMI核16位/ 32位RISC架構(gòu)的MCU。本文介紹了ADuC7019 / 20/21/22/24/25 /27分之26/29分之28主要特性和功能框圖，控制器ADuC7024評(píng)估板主要特性，電路圖狀語(yǔ)從句：材料清單，以及ADI脈搏血氧儀功能介紹及其主要元件表。

ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29是完全集成的，1 MSPS，12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了高性能多通道ADC，16位/ 32位MCU和閃存?/ EE存儲(chǔ)器位于單個(gè)芯片上。

ADC最多包含12個(gè)單端輸入。另有四個(gè)輸入可用，但與四個(gè)DAC輸出引腳復(fù)用。四個(gè)DAC輸出僅在某些型號(hào)（ADuC7020，ADuC7026，ADuC7028和ADuC7029）上可用。但是，在許多不存在DAC輸出的情況下，這些引腳仍可以用作附加ADC輸入，最多提供16個(gè)ADC輸入通道。ADC可以在單端或差分輸入模式下工作。ADC輸入電壓為0 V至VREF。低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源，溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC外設(shè)設(shè)置。

根據(jù)器件型號(hào)的不同，片上最多可提供四個(gè)緩沖電壓輸出DAC。DAC輸出范圍可編程為三個(gè)電壓范圍之一。

這些器件通過(guò)片上振蕩器和PLL工作，產(chǎn)生41.78 MHz（UCLK）的內(nèi)部高頻時(shí)鐘。該時(shí)鐘通過(guò)可編程時(shí)鐘分頻器路由，并由此產(chǎn)生MCU內(nèi)核時(shí)鐘工作頻率。微控制器內(nèi)核是ARM7TDMI?，16位/ 32位RISC計(jì)算機(jī)，可提供高達(dá)41 MIPS的峰值性能。片上提供了8 KB的SRAM和62 KB的非易失性Flash / EE存儲(chǔ)器。ARM7TDMI內(nèi)核將所有內(nèi)存和寄存器視為一個(gè)線性陣列。

片內(nèi)工廠固件支持通過(guò)UART或I2C串行接口端口進(jìn)行在線串行下載；還通過(guò)JTAG接口支持非侵入式仿真。這些功能已集成到支持該MicroConverter?系列的低成本QuickStart?開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中。

這些器件的工作電壓為2.7 V至3.6 V，額定溫度范圍為?40℃至+ 125℃。當(dāng)工作在41.78 MHz時(shí)，功耗通常為120 mW。ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29提供多種存儲(chǔ)器型號(hào)和封裝（請(qǐng)參閱《訂購(gòu)指南》）。

ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29主要特性：

模擬I / O

多通道，12位，1 MSPS ADC

多達(dá)16個(gè)ADC通道1

全差分和單端模式

0 V至VREF模擬輸入范圍

12位電壓輸出DAC

多達(dá)4個(gè)DAC輸出可用

1片內(nèi)參考電壓

片內(nèi)溫度傳感器（±3°C）

電壓比較器

微控制器

ARM7TDMI內(nèi)核，16位/ 32位RISC架構(gòu)

JTAG端口支持代碼下載和調(diào)試

時(shí)鐘選項(xiàng)

修整的片上振蕩器（±3％）

外部

時(shí)鐘晶體外部時(shí)鐘源，最高44 MHz

41.78 MHz PLL，帶可編程分頻器

存儲(chǔ)器

62 kB Flash / EE存儲(chǔ)器，8 kB SRAM

在線下載，基于JTAG的調(diào)試，

軟件觸發(fā)的在線可重編程

性，片上外設(shè)

UART，2×I2C?和SPI串行I / O

最多40針GPIO端口1

4個(gè)通用定時(shí)器

喚醒和看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）

電源監(jiān)控器

三相16位PWM發(fā)生器1

可編程邏輯陣列（ PLA）

外部存儲(chǔ)器接口，高達(dá)512 kB1

功率

指定用于3 V操作

主動(dòng)模式：11 mA @ 5 MHz，40 mA @ 41.78 MHz

封裝和溫度范圍

從40引線6 mm×6 mm LFCSP到80引線LQFP1

完全額定用于–40℃至+ 125℃的操作

工具

低成本QuickStart?開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

完整的第三方支持

ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29應(yīng)用：

工業(yè)控制和自動(dòng)化系統(tǒng)

智能傳感器，精密儀器

基站系統(tǒng)，光網(wǎng)絡(luò)

圖1.ADuC7026框圖

圖2.ADuC7020典型系統(tǒng)配置圖

ADuC7024評(píng)估板

開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，用于評(píng)估ADuC7024 / 25，完全集成的1 MSPS，12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了高性能多通道ADC，16位/ 32位MCU和閃存/ EE內(nèi)存在單個(gè)芯片上。

ADuC7024評(píng)估板的主要特性：

?2層PCB（4“ 5”尺寸）

?9 V電源調(diào)節(jié)至板載3.3 V

?4引腳UART接頭連接到RS232接口電纜

?20引腳標(biāo)準(zhǔn)JTAG連接器連接到ULINK仿真器

?演示電路

?32.768 kHz監(jiān)視晶體來(lái)驅(qū)動(dòng)PLL時(shí)鐘

?ADR291 2.5 V外部基準(zhǔn)芯片

?復(fù)位/下載/ IRQ0按鈕

?電源指示燈/通用LED

?從外部接頭連接器訪問(wèn)所有ADC輸入和DAC輸出。所有設(shè)備端口都引出到外部接頭連接器引腳。

?表面安裝和通孔通用原型區(qū)域

圖3.ADuC7024評(píng)估板電路圖

控制器ADuC7024評(píng)估板材料清單：

ADI脈搏血氧儀解決方案

脈搏血氧儀以非介入方式測(cè)量血液中的含氧量，它以完全飽和的水平的百分比來(lái)表示，用單個(gè)數(shù)值來(lái)表示，即所謂的血氧飽和度百分比，常常稱(chēng)為該測(cè)量基于血液中血紅蛋白的光吸收特性。在可見(jiàn)光譜和近紅外光譜內(nèi)，含氧血紅蛋白（HbO2）與脫氧血紅蛋白（Hb）具有不同的吸收曲線。 ，紅外光（IR）頻率的光線照射。HbO2則相反，吸收的紅光頻率的光線照射，紅外光（IR）頻率的光線照射。中光的單個(gè)組織位置透射光線。紅光和紅外光LED采用時(shí)間交替處理來(lái)轉(zhuǎn)換光線，因此不會(huì)相互干擾。光和紅外光的光電二極管接收光線，然后由一個(gè)跨導(dǎo)放大器產(chǎn)生與所接收光線強(qiáng)度成比例的電壓。的脈沖特性，將會(huì)在測(cè)量周期中確定并顯示脈搏率和強(qiáng)度。

脈搏血氧儀包括發(fā)射路徑，接收路徑，顯示和背光，數(shù)據(jù)接口以及音頻報(bào)警。發(fā)射路徑包括紅光LED，紅外光LED和用于驅(qū)動(dòng)LED的DAC。接收路徑包括光電二極管傳感器，信號(hào)調(diào)理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器。

脈搏血氧儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和主要挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)脈搏血氧儀系統(tǒng)時(shí)，需要解決多個(gè)難題，如低血流灌注，運(yùn)動(dòng)和皮膚濕度，雜散光干擾，碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白干擾等。

?低血流灌注（小信號(hào)水平）。光電二極管測(cè)量需要寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲增益的信號(hào)調(diào)理，以便捕捉脈搏事件。發(fā)射和接收路徑需要具有精確的DAC的精確度，低噪聲LED驅(qū)動(dòng)電路和具有ADC的高級(jí)模擬前端電路。

?運(yùn)動(dòng)和皮膚濕度。運(yùn)動(dòng)會(huì)引起偽像，這可以通過(guò)軟件算法來(lái)解決，或者利用ADXL345等加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)并解決。

?雜散光干擾，使用光電二極管來(lái)響應(yīng)紅光和紅外光，它很容易受環(huán)境光干擾。因此，用于過(guò)濾出紅光和紅外光目標(biāo)信號(hào)的算法非常重要，這意味著信號(hào)處理更加復(fù)雜。這種情況下，需要使用具有更高信號(hào)處理能力的DSP。

?碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白。一氧化碳（CO）很容易與血紅蛋白結(jié)合，使血液變得更像紅色HbO2，導(dǎo)致測(cè)得的SpO2值虛高。血紅素基中的鐵處于異常狀態(tài)，無(wú)法攜帶氧（Fe + 3而不是Fe + 2），導(dǎo)致血紅蛋白減少，SpO2讀數(shù)虛低。使用更多波長(zhǎng)可以提高精度，從而需要更高性能的數(shù)字處理DSP。處理時(shí)間常數(shù)。

圖4。脈搏血氧儀解決方案外形圖

圖5.脈搏血氧儀功能定位

脈搏血氧儀功能定位中主要元件表：

圖6。脈搏血氧儀演示系統(tǒng)定位

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