了解在脉搏血氧计设计中应用含智能模拟组合的 MSP430 MCU 的好处

作者：德州仪器

脉搏血氧计为非侵入式，只需夹在手指上，通过测量含氧或缺氧血液对红外线和红光的吸收情况的变化来监测人的心率和血氧饱和度 (SpO2)。正常情况下，健康人的血氧饱和度在 95% 到 100% 之间。使用类似图 1 所示的脉搏血氧计测量血氧饱和度可以帮助患者：
•        了解药物的效用
•        确定他们能否提高活动水平。
•        确定呼吸机是否必要或正在运行。
•        监测睡眠呼吸暂停症状发作情况。

有些人患有心力衰竭或哮喘之类影响血氧水平的疾病，也可以使用脉搏血氧计。


图 1：夹指脉搏血氧计

通常，光电二极管测量通过手指的红外线和红光。光电二极管传感器发出的信号包含一个大的直流分量和一个小的交流分量（交流大约是直流的 0.4% 到 10%），如图 2 所示。大的直流分量是由于身体组织中含氧量较低的部位的吸收作用和散射光导致的。小的交流分量由动脉等含氧部位的光调制以及 50/60Hz 下的环境光噪声组成。交流和直流分量对于 SpO2 的计算都是必要的。为达到精度要求，需要设计一个信号调节电路来放大交流分量，增加分辨率，抵消直流分量和环境光。但是，信号水平因患者的健康状况以及手指的位置和厚度而异。为了避免信号饱和，需要根据信号的范围动态调整放大器的增益。


图 2：具有大直流分量和小交流分量的光体积描记信号

TI 有一个基于 MSP430FR2355 微控制器 (MCU) 及其内置智能模拟组合 (SAC) 的单芯片脉搏血氧计解决方案。作为 MSP430FR2355 的一种特色外设，SAC 可使用软件配置，让您能够调节输入或输出路径中的模拟信号。  SAC 模式如图 3 所示。


图 3：使用 SAC 模式的系统方框图

MSP430FR2355 作为系统中的主机 MCU，可提供真正的单芯片解决方案，有效消除了对外部放大器和数模转换器 (DAC) 的需求并降低了系统的复杂性和成本。另外，您可以将每个 SAC 模块配置为运算放大器、可编程增益放大器或 12 位 DAC。使用 MSP430FR2355 MCU 的脉搏血氧计的系统方框图如图 4 所示。


图 4：脉搏血氧计系统方框图示例

图 4 中的脉搏血氧计解决方案示例展示了四个 SAC 模块：
•        两个 SAC 模块是 12 位分辨率的 DAC，用于驱动电流可调且稳定的红外和红色 LED。
•        一个 SAC 模块是跨阻放大器，使用 50pA 的输入偏置电流测量光电二极管电流。
•        一个 SAC 模块是 PGA，与作为直流补偿和交流放大器的 DAC 配合可实现 32 倍增益。

除了内置的智能模拟组合，低至 42nA 的待机电流、小封装、存储器配置和通信接口都非常适合低成本的脉搏血氧计设计。

图 5 列出了详细的 MSP430FR2355 MCU 片上模拟和数字特性。


图5：MSP430FR2355 片上特性

结语

MSP430FR2355 是一个超低功耗、低成本的 16 位精简指令集计算机 MCU，并有许多模拟信号链外设。四个智能模拟组合有效消除了对外部放大器和数模转换器 (DAC) 的需求，从而降低了系统的复杂性和成本。低功耗的 VQFN32（4mm x 4mm 32 引脚）封装非常适合脉搏血氧计这样的便携式设备。MSP430 MCU 以及在线软件 (https://www.ti.com.cn/tool/cn/MSPWARE) 和硬件资源可帮助您快速设计脉搏血氧计。

其他资源

[*]阅读应用报告“MSP430 的模拟组合可实现真正的单芯片脉搏血氧计设计”和“如何使用 MSP430 MCU 中的智能模拟组合”。
[*]阅读技术文章“如何快速设计红外温度计”。