基于MCU的脈搏血氧儀設計

脈搏血氧儀是一種用于監視病人血氧飽和度的非浸入式儀器，它正受益于從昂貴的分立元件解決方案轉向更高集成度的設計。但是，集成意味著需要就采用哪種處理架構做出艱難抉擇。

脈搏血氧儀依賴于脈搏強度或脈動流來進行測量，因此被監視的區域內必須具有良好的血流，而任何阻滯都可能造成測量誤差。脈搏血氧儀還能連帶計算出脈搏頻率，因此大多數脈搏血氧儀都具有這項功能。典型脈搏血氧儀的測量范圍介于70%－100%的飽和度之間，低于70%時讀數便不可靠。

脈搏血氧儀的工作原理基于動脈搏動期間光吸收量的變化。分別位于可見紅光光譜(660納米)和紅外光譜(940納米)的兩個光源交替照射被測試區(一般為指尖或耳垂)。在這些脈動期間所吸收的光量與血液中的氧含量有關。微處理器計算所吸收的這兩種光譜的比率，并將結果與存在存儲器里的飽和度數值表進行比較，從而得出血氧飽和度。

脈搏血氧儀的典型組件包括：一個微處理器、存儲器(EPROM與RAM)、兩個控制LED的數模轉換器、對光電二極管接收的信號進行濾波與放大的器件、將接收信號數字化以提供給微處理器的模數轉換器。LED與光電二極管放置在與患者指尖或耳垂接觸的小型探針中。脈搏血氧儀還包括顯示器與繪圖儀，它們一般為分立元件。

數家制造商已可提供帶有A/D 和D/A轉換器、微控制器內核、存儲器及其它外圍功能的集成模擬微控制器。僅有濾波、信號調節和放大等功能需要使用外部組件。如果所選MCU的功能足夠強大，則可在數字域完成信號調節，從而近一步簡化系統。

然而，集成解決方案的選擇頗具挑戰性，因為這些模擬微控制器的種類非常多，如8位、16位及32位的CISC和RISC架構，同時還有多種A/D、D/A及其它外圍選項。

對于MCU，設計者應首先考慮8位內核，如傳統的8051。這些內核聞名遐爾且易于理解和使用。此外，還有大量代碼和經過驗證的工具可供使用。

盡管16位和32位MCU內核在數據采集系統中并不流行，但正逐漸被人們所接受。使用這些寬總線MCU比使用8位MCU更容易處理寬字節數據，所以它們對12位、16位及24位A/D數據的計算更容易、更快。憑借它們更快的操作速度，這些寬總線MCU在執行復雜算法方面比8位MCU具有更高效率。工具提供商已開始為這些16/32位集成解決方案提供工具包和支持。

對一個簡單的脈搏血氧儀來說，8位MCU內核完全夠用，但如果要求有復雜的濾波、數學計算或數據處理等更多功能，那么16/32位器件可能是更好的選擇。理想解決方案將是：一個帶有內部程序閃存與RAM(用于存儲操作程序、飽和度查找表和捕獲的數據)的16/32位MCU、兩個用于驅動光源的D/A轉換器、一個至少12位分辨率用以量化光電二極管所接收數據的多通道A/D轉換器(它還可用于監視電池壽命等其它參數)。如果再有一些板上的可配置膠合邏輯則更好。