晶华微SD93F112血氧仪方案的详细说明

一、概述

血氧仪是一种监测人体血氧含量的仪器，采用无创式红外测量技术。通常通过测量手指、耳朵等部位检测，主要的测试指标为脉率、血氧饱和度及灌注指数。

二、血氧检测原理

在人体正常血液中存在四种血红蛋白：氧合血红蛋白（HbO2）、还原血红蛋白（Hb）、碳氧血红蛋白（CoHb）、高铁血红蛋白（MetHb）。其中还原血红蛋白与氧气做可逆性结合，碳氧血红蛋白、高铁血红蛋白与氧气不结合。血氧饱和度指的是血液中氧合血红蛋白容量占可结合氧气的血红蛋白容量的百分比。因此，血氧饱和度的计算公式如下：

其中CHbO2、CHb分别表示血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度，SaO2表示血氧饱和度。

血氧仪的测量原理是根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见红光和不可见红外光的吸收光谱特性为依据。如下图1所示，氧合血红蛋白对这两种波长的吸收率与还原血红蛋白差别很大，利用这一特性可以测量计算出血氧饱和度。

图1 Hb和HbO2的吸收光谱

血氧探头是由两只发光管和一只电光管组成。其中一只发光管发出波长为660nm的可见红光，另外一只发光管发出波长为920nm~950nm之间的不可见红外光。按照所使用的传感器采样方式的不同，可以分为透射式和反射式两种，如下图2所示。

图2 透射式和反射式血氧传感器

如下图3所示，采用了H桥驱动电路来驱动两个LED，一个为可见红光LED，另一个为不可见红外光LED。P20和P21分别是SoC芯片的通用I/O端口，按一定间隔时间交替输出驱动两路LED交替发光。运算放大器OPA控制通过LED的电流，改变DAO2电压从而控制其光输出强度。光电二极管接收到的光信号后转换为微弱的电信号，这个电流信号被运算放大器OPB转换成一个可供处理的电压信号。然后经过放大、滤波等处理使其转变成用于识别的电压信号，再通过模/数转换，成为SoC能够处理的数字信号。

图3 LED驱动电路及信号转换

三、基于SD93F112 的血氧仪应用开发方案

本文将重点介绍基于晶华微SD93F112芯片的血氧仪应用。如图4所示，SD93F112芯片资源丰富，具有8bits DAC产生不同电压；2个OP作电流电压转换；13通道高精度ADC能准确测量出电流信号；自带LCD驱动不需要专门的LCD驱动芯片便可实现血氧仪的显示；可分频的正弦波发生器；自带电压检测，不需要低压检测芯片便可实现电池电量检测功能，并且检测电压2.0~5.3V可调整；有56k Bytes Flash存储用户程序和数据，并且有额外1k Bytes的用户数据区，不需要外部的数据存储器便可实现用户数据存储，非常契合血氧仪的方案。硬件方面，只需要很少的外围元器件就可以实现血氧仪应用方案。软件方面，SD93F112芯片可使用C语言进行软件开发，同时还提供完整的SDK和库函数，方便软件工程师开发，并且有强大的技术团队提供技术支持，有效降低产品研发门槛，可大大缩短项目开发周期。

图4 血氧仪方案框图

四、基于SD93F112的血氧仪原理图

图5 基于SD93F112的血氧仪原理图

五、SD93F112芯片性能特点

SD93F112是由杭州晶华微推出的带有丰富外围资源的32位SoC芯片，主要应用于血压计、脂肪秤、血糖仪、血氧仪、红外测温等领域，有以下特点：

ADC

高精度ADC，ENOB = 18.2bits@8sps (Gain = 256)，4个差分通道或者8个单端通道。

低噪声高输入阻抗前置放大器，1、4、8、16、32、64、128和256倍增益可选，带offset校正功能。

存储器

56k Bytes Flash，8k Bytes Boot，4k Bytes SRAM。

系统时钟

内置16MHz高频RC振荡器和32kHz低频RC振荡器，并且支持8~16MHz晶体振荡器做系统时钟。

LCD驱动

带LCD驱动模块，支持4COM x 22SEG、6COM x 20SEG和8COM x 18SEG三种驱动模式；具有超低功耗和大驱动能力设计，内含程控升压模块，可以在低压条件下维持高亮显示；驱动电压可选，2.7~5.2V。

正弦波发生器

内置正弦波发生器，输出频率可选：5kHz、50kHz、100kHz、200kHz，支持八电极BIA测脂。

电源管理系统

内置低压检测电路，包括一个8bits DAC和一个rail to rail 输入的比较器，以实现灵活的电池检测和触摸按键检测等功能。电压检测范围2.0~5.3V。

内置传感器激励输出，输出电压可选，2.4~4.5V，步长为0.3V。

通信

内置UART通信接口，待机时RXD下降沿自动唤醒MCU。

内置1路I2C通信接口。

温度传感器

内置硅温度传感器，可以单点校正，支持自动正反测。

低功耗

典型工作电流：400A/MIPS@3.3V，休眠电流3A，待机状态下加RTC低于6A。

六、结论

本文介绍的SD93F112型号SoC，充分利用其丰富的内置硬件资源，可节省血氧仪大部分外围元器件，与其他通用SoC相比成本降低，充分利用芯片的低功耗模式，即使使用普通3V电压的电池，也能正常工作较长的时间。

审核编辑：符乾江