一、血氧儀測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

指夾式脈搏血氧儀硬件檢測(cè)電路主要有4個(gè)部分組成，光電傳感器部分、模擬信號(hào)處理單元、MCU處理單元和顯示輸出部分。首先，光電傳感器將采集到的信號(hào)傳輸至模擬信號(hào)處理電路；其次，模擬信號(hào)處理單元對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換、采樣、濾波、放大和分離，將分離后的4路信號(hào)（紅光交流信號(hào)、紅光直流信號(hào)、紅外交流信號(hào)、紅外直流信號(hào)）傳輸?shù)絉JM8L151的ADC處理單元，MCU處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，處理結(jié)果送至顯示輸出部分由OLED顯示屏顯示出來，或通過BLE傳送到手機(jī)APP。

傳感器部分由一個(gè)雙向驅(qū)動(dòng)的雙波長(zhǎng)LED作為發(fā)光元件和一個(gè)光電二極管作為感光器件。由于兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)共用同一個(gè)光電二極管，我們采用分時(shí)復(fù)用的工作方式驅(qū)動(dòng)光電二極管，周期性點(diǎn)亮兩個(gè)LED，來實(shí)現(xiàn)在同一條傳輸路徑上檢測(cè)兩路光信號(hào)。為了得到兩路獨(dú)立的信號(hào)，我們采用與LED驅(qū)動(dòng)脈沖同步的控制信號(hào)控制采用保持電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離，分別得到紅外和紅光兩路信號(hào)。LED驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖和采樣保持電路切換時(shí)序脈沖都由RJM8L151的GPIO提供。

模擬信號(hào)處理單元完成對(duì)光電二級(jí)管采集信號(hào)的處理，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、采樣保持、放大、濾波和補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｓ捎诠怆姸O管輸出的信號(hào)是電流信號(hào)，先要轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能被后續(xù)電路處理。而且光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，其結(jié)電阻較大，輸出電流較小。所有要選用輸入阻抗較高的運(yùn)算放大器做為I/V轉(zhuǎn)換的TIA。

電流-電壓變換電路輸出的是兩種光分時(shí)復(fù)用的信號(hào)，要將兩種光的信號(hào)分離就要用兩路獨(dú)立的采樣保持電路，用RJM8L151的GPIO來控制和切換兩路采樣保持電路，并且要與LED驅(qū)動(dòng)脈沖的控制脈沖同步。

由于分離出來的交流信號(hào)非常微弱，為了消除直流分量和高頻干擾，電路中采用帶通濾波器處理紅光和紅外信號(hào)。帶通濾波器由高通和低通兩部分組成，其中高通部分采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)來濾除直流分量，其截至頻率設(shè)置為0.23Hz。低通部分采用二階低通濾波電路，其截至頻率為0.48Hz。

二、測(cè)量MCU的選擇

指夾式脈搏血氧儀通常采用2節(jié)干電池供電，整機(jī)功耗在設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮，其中MCU的功耗尤為重要。瑞納捷電子推出了RJM8L151系列是超低功耗MCU，非常適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。RJM8L151系列不僅具備出色的運(yùn)行和待機(jī)功耗表現(xiàn)，還內(nèi)置12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比較器，對(duì)微弱信號(hào)傳感器的高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)極為有益。RJM8L151豐富的外圍接口使擴(kuò)展各種通信模塊、功能模塊更加方便。RJM8L151基于增強(qiáng)型哈佛架構(gòu)的CPU內(nèi)核和多級(jí)流水線指令系統(tǒng)，相同時(shí)鐘頻率的處理性能是傳統(tǒng)8051的3倍，采用Keil uVision或IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)調(diào)試應(yīng)用代碼。RJM8L151系列MCU的硬件框圖如下圖所示。

RJM8L151的正常工作電壓范圍是1.62V到5.5V,非常適合2節(jié)、3節(jié)干電池直接供電，省掉額外的LDO電路，另外RJM8L151低至0.5uA的待機(jī)電流，既能保持內(nèi)部RTC的正常計(jì)時(shí)，又能保持SRAM數(shù)據(jù)不變，該性能可大大減小系統(tǒng)對(duì)電池容量尺寸的要求。RJM8L151具有6種電源管理模式，通過裁剪時(shí)鐘樹的方式關(guān)閉時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)不同需求的功耗。一般情況下使用內(nèi)部低速時(shí)鐘就可以完成對(duì)外部中斷的響應(yīng)，同時(shí)又可以保持很低的功耗，這是同類MCU無法做到的。另外，RJM8L151從低功耗狀態(tài)喚醒小于5us，可以實(shí)現(xiàn)快速睡眠快速喚醒低占空比工作，這又極大的降低了系統(tǒng)功耗。

RJM8L151有4個(gè)時(shí)鐘源：內(nèi)部高速時(shí)鐘、內(nèi)部低速時(shí)鐘、外部高速時(shí)鐘和外部低速時(shí)鐘。RJM8L151的時(shí)鐘控制模塊將這幾個(gè)時(shí)鐘源通過靈活的配置分頻實(shí)現(xiàn)不同的功耗和性能需求。輔助系統(tǒng)時(shí)鐘可以使用內(nèi)部低速時(shí)鐘或外部低速時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，主系統(tǒng)時(shí)鐘提供給RJM8L151的CPU，子系統(tǒng)時(shí)鐘為外設(shè)提供給時(shí)鐘源。多樣的時(shí)鐘資源可以降低系統(tǒng)消耗，輔助系統(tǒng)時(shí)鐘在保持低功耗的同時(shí)也可以接受外部中斷，響應(yīng)外部環(huán)境的變化。使用內(nèi)部高速RC振蕩器作為主系統(tǒng)時(shí)鐘，不僅可以省去一個(gè)外部的高速晶振，同時(shí)可以快速喚醒MCU來降低功耗。

模擬電路方面，RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC，采樣轉(zhuǎn)換速率高達(dá)1MSPS，支持外部參考電壓輸入。

RJM8L151設(shè)計(jì)了豐富的定時(shí)模塊，包括2個(gè)16位基本定時(shí)器，1個(gè)16位通用定時(shí)器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。2個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器除了支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能，還支持12對(duì)互補(bǔ)PWM輸出。1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊，產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒，并有自動(dòng)閏年補(bǔ)償功能，采用外部32.768kHz晶振提供時(shí)鐘可使計(jì)時(shí)誤差更小。RJM8L151內(nèi)嵌15位窗口看門狗定時(shí)器，采用系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，溢出時(shí)可產(chǎn)生中斷或復(fù)位信號(hào)，待機(jī)模式下停止計(jì)數(shù)。

RJM8L151單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境是Keil uVision。Keil是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具供應(yīng)商，uVision是C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），其中的Keil C51支持RJM8L151的開發(fā)調(diào)試，該環(huán)境集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)。

RJM8L151系列MCU配備了高效的在線仿真器和下載器，既可以方便前期開發(fā)調(diào)試又為后期生產(chǎn)安裝提供了方便。RJM8L151支持標(biāo)準(zhǔn)JTAG下載和調(diào)試，可以不使用仿真器，用離線編程器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存Flash的修改，提高了批量燒錄的效率，也為程序升級(jí)維護(hù)提供了方便。

三、基于RJM8L151K8Q6的方案原理圖

基于RJM8L151K8的方案原理圖如下所示。