基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設計方案

一、引言

指夾式血氧儀是一種通過測量手指末端血液中的血氧飽和度（SpO2）和心率（PR）等生理參數(shù)的醫(yī)療設備。其工作原理基于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）對紅光（660nm）和紅外線（900nm）的不同吸收特性。本文詳細介紹了一種基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設計方案，涵蓋了硬件設計思路、軟件實現(xiàn)方法以及主要性能指標。

二、主控芯片選型及作用

1. 主控芯片型號

在本設計方案中，我們選擇了武漢芯源半導體出品的CW32L系列低功耗MCU作為主控芯片。具體型號包括CW32L031C8T6和CW32L010系列。

• CW32L031C8T6：該芯片集成了主頻高達48MHz的ARM Cortex-M0+內核，具有64KB Flash和8KB SRAM，支持多種通信接口（如UART、SPI、I2C）以及豐富的外設資源（如定時器、PWM、ADC等）。

• CW32L010系列：該系列同樣基于ARM Cortex-M0+內核，提供了64K Flash和4K SRAM的存儲空間，支持二路UART、一路SPI和一路I2C等通信接口，以及12位高速ADC等外設。

2. 主控芯片的作用

主控芯片在指夾式血氧儀中起著至關重要的作用，主要包括以下幾個方面：

• 數(shù)據(jù)處理與控制：MCU負責接收來自光電傳感器的模擬信號，通過內置的ADC進行模數(shù)轉換，然后處理這些數(shù)據(jù)以計算出血氧飽和度和心率等生理參數(shù)。同時，MCU還負責控制LED光源的發(fā)射時序和功率，以及顯示屏的顯示內容和報警提示等。

• 通信接口：MCU提供了多種通信接口，如UART、SPI、I2C等，這些接口可用于與外部設備（如上位機、藍牙模塊等）進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸和存儲。

• 低功耗管理：MCU支持低功耗模式，如待機模式、深度睡眠模式等，有助于降低血氧儀的整機功耗，延長電池使用時間。

• 系統(tǒng)可靠性：MCU具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設資源，能夠確保血氧儀在復雜環(huán)境下穩(wěn)定工作，提供準確可靠的測量結果。

三、硬件設計思路

1. 電源設計

電源系統(tǒng)支持USB外接供電、電池供電以及電池充電功能。整體架構包括電源路徑管理及電池充電電路、5V供電電路和3.3V供電電路三個部分。

• 電源路徑管理：采用P-MOS作為開關，通過G端電壓與S端電壓關系，實現(xiàn)USB供電與電池供電的動態(tài)切換功能。

• 電池充電電路：采用TC4056A芯片作為主控，依托其可編程充電電流控制、充電狀態(tài)指示等功能，實現(xiàn)單節(jié)鋰電池充電功能。USB接口增加過壓、過流保護電路設計，防止插入瞬間尖峰電壓對后級電路的沖擊。

• 5V供電電路：采用MT3608芯片搭建Sepic電路，確保在電池電壓下降時也能穩(wěn)定提供5V電壓。

• 3.3V供電電路：采用AMS1117-3.3芯片構建LDO降壓電路，穩(wěn)定提供3.3V電壓。

2. 主控板設計

主控板包括MCU電路、發(fā)射電路、接收電路、按鍵電路、蜂鳴器電路和TFT顯示屏電路等六個部分。

• MCU電路：采用CW32L031C8T6作為主控芯片，設計BOOT電路、SWD燒錄接口及復位按鈕（不焊接），受空間限制，取消外部晶振電路。

• 發(fā)射電路：采用“RS2105+RS622”設計方案。由RS2105電子開關芯片構成雙路開關電路，用于控制發(fā)射時序；由RS622芯片所包含的兩路運算放大器搭配N溝道MOS管形成恒流源電路，通過PWM信號控制電流大小，以實現(xiàn)控制發(fā)射信號強弱的目的。采用“660nm紅光+900nm紅外光”的雙波長發(fā)射管，內部反向并聯(lián)連接，通過上述H橋電路控制發(fā)射時序和發(fā)射功率。

• 接收電路：采用RS622雙路運放芯片作為核心。前級與200KΩ電阻及電容構成跨阻放大電路，采集并放大“直流+交流”混合信號；前后級之間通過電容耦合，并與電阻構成高通濾波器，有效濾除直流信號。

• 按鍵電路：采用1mm超薄按鍵，通過并聯(lián)電容構成硬件消抖電路，通過電阻接入MCU的PB03引腳，按鍵按下為低電平（低電平有效）。

• 蜂鳴器電路（當前版本PCB受空間限制已取消）：采用2KHz無源蜂鳴器作為核心元件，以N溝道MOS管作為開關，通過輸出一定頻率的PWM信號驅動蜂鳴器發(fā)聲。

• TFT顯示屏電路：用于驅動0.96寸全彩LCD顯示屏。設計8P抽屜式下接FPC接口，用于連接帶軟排線接口的顯示屏。同時以PNP三極管作為開關，通過MCU輸出一定占空比的PWM信號實現(xiàn)屏幕背光控制。

3. 傳感器設計

傳感器部分主要包括紅光LED和紅外線LED燈以及光電二極管。在設備的同一位置設置紅光LED和紅外線LED燈，當光線從手指的一面穿透到另一面時，光電二極管接收兩種血紅蛋白對不同波長的光吸收的區(qū)別，并產生對應比例的電壓信號。這些信號經過ADC轉換后送入MCU進行處理。

四、軟件設計思路

1. 初始化配置

在軟件設計中，首先需要對MCU進行初始化配置，包括時鐘配置、外設初始化（如ADC、UART、PWM等）、中斷配置等。

2. 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集部分主要通過ADC采集光電二極管輸出的模擬信號，并進行模數(shù)轉換。然后，通過算法處理這些數(shù)據(jù)以計算出血氧飽和度和心率等生理參數(shù)。算法部分可以采用FFT（快速傅里葉變換）等信號處理算法來提高測量精度。

3. 顯示與報警

測量結果通過TFT顯示屏進行顯示，包括血氧飽和度、心率等參數(shù)。同時，可以設置報警功能，當測量值超出預設范圍時，通過蜂鳴器或顯示屏進行提示。

4. 低功耗管理

為了實現(xiàn)低功耗管理，可以在MCU中配置低功耗模式，如待機模式、深度睡眠模式等。在不需要進行數(shù)據(jù)采集和顯示時，將MCU切換到低功耗模式以降低整機功耗。

五、主要性能指標

1. 血氧飽和度測量范圍：70%~100%，精度±1%。

2. 心率測量范圍：30~250bpm，精度±1bpm或±1%取大值。

3. 顯示方式：0.96inch TFT彩屏顯示。

4. 供電方式：鋰電池供電，可充電。

5. 低功耗性能：待機模式下功耗極低。

6. 測量時間：85s快速出測量結果。

7. 報警功能：血氧飽和度和脈率超限報警。

8. 其他功能：無手指自動關機、電池電量報警以及電池電量低自動關機等。

六、總結

本文詳細介紹了一種基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設計方案。該方案采用CW32L031C8T6或CW32L010系列MCU作為主控芯片，結合紅光和紅外線傳感器進行血氧飽和度和心率的測量。硬件設計部分包括電源設計、主控板設計和傳感器設計等部分；軟件設計部分則涵蓋了初始化配置、數(shù)據(jù)采集與處理、顯示與報警以及低功耗管理等功能。該方案具有測量精度高、功耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點，適用于家庭、醫(yī)院等多種場合的生理參數(shù)監(jiān)測。