基于UM3213A脈搏血氧儀方案參考設(shè)計(jì)方案

一、方案概述

血氧飽和度（SpO2）是血液中攜帶氧分子的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的濃度，是呼吸循環(huán)系統(tǒng)的重要生理參數(shù)。血氧被稱為心率、血壓、體溫、呼吸率之后的第五大人體體征參數(shù)，一般認(rèn)為血氧飽和度正常應(yīng)不低于94%，在94%以下為供氧不足。血氧儀主要測(cè)量指標(biāo)分別為脈率和血氧飽和度，該指標(biāo)能反應(yīng)心、肺等早期醫(yī)療問(wèn)題，是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。指夾式脈搏血氧儀體積小，功耗低，使用方便，便于攜帶。測(cè)量時(shí)只需將手指插入指夾式光電傳感器中，顯示屏就會(huì)直接顯示所測(cè)血氧飽和度值和心率值。

UM321xA系列芯片是廣芯微電子（廣州）股份有限公司研制的基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的超低功耗、Low Pin Count、寬電壓工作范圍的32位IoTP處理器SoC芯片系列，重點(diǎn)面向物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)便攜式傳感測(cè)量系統(tǒng)中的電池應(yīng)用場(chǎng)景。

二、主控芯片型號(hào)及作用

1. 主控芯片型號(hào)

該設(shè)計(jì)方案采用的主控芯片為UM3213A。UM3213A是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的超低功耗32位IoT處理器SoC芯片，其主頻為32MHz，內(nèi)置64KB閃存，提供最大35個(gè)GPIO。該芯片內(nèi)部集成了CAN、12位SAR ADC、UART、SPI、QSPI、I2C等通用外圍通訊接口，ADC、OPA、比較器等傳感獲取接口，以及LPUART、LPTIMER、WDT等超低功耗模塊接口。UM3213A具有高整合度、高抗干擾、高可靠性和超低功耗等技術(shù)特點(diǎn)，內(nèi)置RC高頻和低頻振蕩器，支持免晶振應(yīng)用，支持Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件開發(fā)。

2. 主控芯片作用

（1）信號(hào)處理與控制

UM3213A作為主控芯片，負(fù)責(zé)接收來(lái)自血氧傳感器和心率傳感器的信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)置ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。隨后，利用芯片內(nèi)部的處理單元對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出血氧飽和度和心率值。同時(shí)，芯片還負(fù)責(zé)控制LED光源的開關(guān)，以及驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果。

（2）低功耗管理

UM3213A具有超低功耗特性，能夠滿足脈搏血氧儀長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)和連續(xù)測(cè)量的需求。在無(wú)手指插入時(shí)，芯片能夠自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，延長(zhǎng)電池使用壽命。當(dāng)檢測(cè)到手指插入時(shí)，芯片能夠快速喚醒并進(jìn)入工作狀態(tài)，確保測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（3）通訊接口

UM3213A提供了多種通訊接口，如UART、SPI、I2C等，方便與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這些接口可以用于連接顯示屏、藍(lán)牙模塊等外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程傳輸。

（4）電源管理

UM3213A內(nèi)置電源管理模塊，能夠監(jiān)測(cè)電池電量，并在電量不足時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，芯片還支持寬電壓工作范圍，能夠適應(yīng)不同電池電壓的波動(dòng)，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

三、設(shè)計(jì)方案詳細(xì)解析

1. 血氧飽和度和脈率檢測(cè)

血氧飽和度和脈率的檢測(cè)是脈搏血氧儀的核心功能。該方案采用兩束不同波長(zhǎng)的光（如660nm的紅光和905/940nm的近紅外光）通過(guò)透鏡照射人體指端，而由光敏器件獲取測(cè)量信號(hào)。兩個(gè)光源通過(guò)兩個(gè)IO分時(shí)控制。使用三級(jí)OPA將測(cè)量信號(hào)放大，由低通濾波濾除高頻干擾信號(hào)。每級(jí)OPA放大后都有一路ADC通道進(jìn)行采樣，即使用三個(gè)ADC通道采樣光敏信號(hào)。通過(guò)計(jì)算紅光和近紅外光被血液吸收的比例，可以推算出血氧飽和度值。同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)光信號(hào)的周期性變化，可以計(jì)算出心率值。

2. 電池電量檢測(cè)

電池電量檢測(cè)是確保脈搏血氧儀能夠持續(xù)穩(wěn)定工作的重要環(huán)節(jié)。該方案采用UM3213A內(nèi)置的ADC模塊采集VDDCore電壓，經(jīng)過(guò)換算計(jì)算出電池電量。當(dāng)電池電量不足時(shí)，芯片會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶更換電池。

3. 顯示屏

顯示屏用于顯示血氧飽和度、心率和電池電量等信息。該方案采用128*64分辨率的OLED顯示屏，具有色彩鮮艷、功耗低、視角廣等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，顯示屏支持四向顯示調(diào)節(jié)，方便用戶在不同角度下查看測(cè)量結(jié)果。

4. 串口通訊

串口通訊用于系統(tǒng)研發(fā)調(diào)試和后期維護(hù)。通過(guò)串口通訊，可以將測(cè)量結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。同時(shí)，也可以接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)等操作。

5. 報(bào)警功能

報(bào)警功能是脈搏血氧儀的重要安全保障措施。當(dāng)血氧飽和度或心率值超出正常范圍時(shí)，芯片會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶注意身體狀況。同時(shí)，當(dāng)電池電量不足或傳感器脫落時(shí)，也會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

四、方案優(yōu)勢(shì)

1. 超低功耗：UM3213A具有超低功耗特性，能夠滿足脈搏血氧儀長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)和連續(xù)測(cè)量的需求。在無(wú)手指插入時(shí)，芯片能夠自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，延長(zhǎng)電池使用壽命。

2. 高集成度：UM3213A內(nèi)部集成了多種功能模塊，如ADC、OPA、UART、SPI等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，降低了成本。

3. 高可靠性：UM3213A具有高抗干擾和高可靠性特性，能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4. 快速喚醒：UM3213A能夠快速喚醒并進(jìn)入工作狀態(tài)，確保測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

5. 全面功能：該方案不僅具備血氧飽和度和心率測(cè)量功能，還具備電池電量檢測(cè)、報(bào)警提示等輔助功能，大大提升了設(shè)備的實(shí)用性和用戶體驗(yàn)。

五、總結(jié)

基于UM3213A的脈搏血氧儀方案具有超低功耗、高集成度、高可靠性、快速喚醒和全面功能等優(yōu)勢(shì)。該方案采用先進(jìn)的ARM Cortex-M0+內(nèi)核處理器SoC芯片，結(jié)合紅光傳感器和近紅外光傳感器，實(shí)現(xiàn)了血氧飽和度和心率的準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)內(nèi)置ADC模塊和電源管理模塊，實(shí)現(xiàn)了電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和低功耗管理。此外，該方案還支持串口通訊和報(bào)警功能，進(jìn)一步提升了設(shè)備的實(shí)用性和用戶體驗(yàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，該方案可以廣泛應(yīng)用于家庭健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)診斷、運(yùn)動(dòng)健身監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，相信未來(lái)會(huì)有更多基于UM3213A的脈搏血氧儀方案涌現(xiàn)出來(lái)，為人們的健康監(jiān)測(cè)提供更加便捷、準(zhǔn)確、可靠的解決方案。