一、引言

指夾式血氧儀利用光電容積描記法（Photoplethysmography，PPG）檢測手指血液的脈搏變化，進而計算出血氧飽和度（SpO?）和脈率。作為一款便攜式、低功耗的醫(yī)療健康監(jiān)測設(shè)備，其PCBA設(shè)計需要兼顧精密的模擬信號采集、數(shù)字信號處理、低功耗運行以及系統(tǒng)集成度等要求。本方案著眼于指夾式血氧儀在實際使用中的穩(wěn)定性、測量精度和用戶體驗，詳細描述了從傳感器采集到數(shù)據(jù)處理顯示的全過程，并對關(guān)鍵元器件的選型進行了詳細說明。

二、系統(tǒng)總體方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個血氧儀系統(tǒng)主要由以下幾個模塊構(gòu)成：

1. 傳感器模塊
   包括紅光和紅外LED、光電探測器（光敏二極管或集成模塊）以及相關(guān)的信號調(diào)理電路，用于采集血液脈搏信號。通常采用集成化的傳感器模塊，如MAX30102，其內(nèi)部集成了LED驅(qū)動、低噪聲前端放大器和ADC，能夠簡化設(shè)計。

2. 微控制器單元（MCU）
   作為系統(tǒng)的核心控制單元，用于接收傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行信號濾波、脈搏及血氧計算，并管理各外設(shè)的工作。MCU還負責(zé)控制低功耗管理、數(shù)據(jù)存儲、以及可能的無線傳輸。

3. 電源管理模塊
   包括充電電路、電池管理、電壓轉(zhuǎn)換（如DC-DC穩(wěn)壓電路）等，確保系統(tǒng)在低功耗模式下穩(wěn)定工作。對于便攜設(shè)備，低功耗和高效率是設(shè)計重點。

4. 數(shù)據(jù)存儲及通信模塊
   依據(jù)需求可加入短時數(shù)據(jù)存儲（EEPROM或Flash）和無線通信模塊（如藍牙BLE），便于數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)控。

5. 顯示與人機交互模塊
   可選用低功耗的OLED或LED顯示器，顯示實時血氧值和脈率信息，提供按鍵或觸摸接口實現(xiàn)基本設(shè)置調(diào)整。

下圖給出了整個系統(tǒng)的電路框圖示意：

            +----------------------+
            |      電池/電源       |
            +---------+------------+
                      |
              +-------▼--------+
              |  電源管理IC    |
              |(如TPS62840)    |
              +-------+--------+
                      |
              +-------▼--------+
              |    主供電3.3V  |
              +-------+--------+
                      |
     +----------------+----------------+
     |                |                |
+----▼----+     +-----▼------+    +----▼-----+
|  MCU    |     |  傳感器模塊 |    | 通信模塊 |
|(STM32L0|     |(MAX30102)  |    |(BLE芯片) |
|  系列)  |     +-----+------+    +----+-----+
+----+----+           |                |
     |         模擬信號調(diào)理         顯示模塊
     |           (濾波、放大)          |
+----▼----+          |              +--▼---+
|   ADC   |<---------+              | OLED |
|(集成于MCU)|                       +------+
+---------+

圖1：血氧儀系統(tǒng)總體電路框圖示意

三、關(guān)鍵元器件選型及說明

在血氧儀的PCBA設(shè)計中，每個元器件的性能和匹配度直接影響最終測量的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)穩(wěn)定性。以下詳細介紹各關(guān)鍵元器件的型號、功能、選型依據(jù)及在方案中的作用：

1. 傳感器模塊

優(yōu)選型號：MAX30102

• 器件功能：
  MAX30102是一款集成光學(xué)傳感器模塊，內(nèi)置紅光和紅外LED、光敏二極管、低噪聲前端放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，專用于測量脈搏和血氧。模塊通過I2C接口與MCU通信，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號放大與初步濾波。

• 選型原因：

• 集成度高： 減少外圍元器件數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

• 低功耗： 專為便攜醫(yī)療設(shè)備設(shè)計，適合長時間運行。

• 應(yīng)用成熟： 廣泛應(yīng)用于各類脈搏與血氧測量設(shè)備，驗證了其性能穩(wěn)定性。

• 參數(shù)匹配： 提供較高采樣精度和較低噪聲水平，有利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

另外，也可考慮后續(xù)升級到更高性能的MAX30105系列，但目前MAX30102在成本和供貨上較有優(yōu)勢。

2. 微控制器（MCU）

優(yōu)選型號：STM32L0系列（如STM32L051）

• 器件功能：
  MCU負責(zé)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、信號處理、用戶交互以及通信管理。STM32L0系列采用超低功耗架構(gòu)，具備豐富的外設(shè)接口（I2C、SPI、ADC、定時器等），適合需要長時間待機和實時處理的便攜設(shè)備。

• 選型原因：

• 超低功耗： 能夠在睡眠和工作模式之間高效切換，延長電池壽命。

• 集成接口豐富： 便于集成傳感器模塊、顯示模塊、存儲器及通信模塊。

• 生態(tài)完善： 軟件開發(fā)工具鏈成熟，便于快速開發(fā)與調(diào)試。

3. 模擬信號調(diào)理電路

主要組成：低噪聲放大器（LNA）、濾波器

• 常用元器件：

• 運算放大器： 如OPA2333、MCP6002等低噪聲、低功耗運算放大器，用于對傳感器采集的微弱信號進行預(yù)放大。

• 濾波元件： RC網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器，用于去除高頻噪聲和干擾。

• 選型原因：

• 高精度與低噪聲： 放大器要求輸入偏置低、噪聲小，以保證信號完整性。

• 低功耗： 符合整體系統(tǒng)低功耗設(shè)計要求。

• 匹配性好： 與MAX30102輸出信號匹配，避免信號失真。

4. 電源管理模塊

優(yōu)選型號：TPS62840（低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器）與MCP73831（鋰電池充電管理IC）

• 器件功能：

• TPS62840： 用于將電池電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為3.3V主供電，具有極低靜態(tài)功耗，適合便攜式設(shè)備。

• MCP73831： 提供鋰電池充電保護和管理，確保電池充放電安全。

• 選型原因：

• 高轉(zhuǎn)換效率： 保證電池能量最大化利用，延長設(shè)備續(xù)航時間。

• 保護功能完善： 內(nèi)置過充、過放、短路等保護機制，確保設(shè)備和用戶安全。

• 應(yīng)用成熟： 市場上廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備，穩(wěn)定性好。

5. 通信模塊

優(yōu)選型號：藍牙低功耗(BLE)芯片，如Nordic nRF52832或集成BLE的MCU

• 器件功能：
  實現(xiàn)設(shè)備與智能手機或其他終端的無線數(shù)據(jù)傳輸，便于實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。

• 選型原因：

• 低功耗： 適合長期無線通信需求，且能與主控MCU協(xié)同低功耗策略。

• 集成度高： 部分芯片可直接替代獨立MCU，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計。

• 生態(tài)完善： 提供成熟的軟件協(xié)議棧和開發(fā)支持。

6. 顯示模塊

優(yōu)選型號：低功耗OLED顯示屏（如0.96英寸OLED模塊）

• 器件功能：
  用于顯示當(dāng)前測量數(shù)據(jù)（血氧值、脈率）、狀態(tài)提示和菜單界面。

• 選型原因：

• 功耗低、對比度高： OLED顯示屏適合低功耗設(shè)備，并且在室內(nèi)外環(huán)境中均能清晰顯示。

• 接口簡單： 通常支持I2C或SPI接口，便于MCU驅(qū)動。

• 尺寸合適： 小尺寸、輕量化設(shè)計符合指夾設(shè)備對體積的要求。

7. 數(shù)據(jù)存儲

優(yōu)選型號：SPI Flash或內(nèi)置EEPROM

• 器件功能：
  用于保存歷史測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置以及固件升級所需的存儲空間。

• 選型原因：

• 容量適中： 根據(jù)數(shù)據(jù)存儲需求選擇合適容量。

• 穩(wěn)定性好： 數(shù)據(jù)保存可靠，抗干擾能力強。

• 接口成熟： SPI接口便于與MCU通信，編程簡單。

四、電路原理圖設(shè)計

在詳細設(shè)計階段，需要將上述各模塊進行合理集成，確保信號傳輸完整、干擾最小以及功耗控制得當(dāng)。下面給出一個較為詳細的原理圖說明，便于理解各模塊的連接關(guān)系。

4.1 供電部分

• 電池接口： 采用3.7V鋰電池作為主要電源，通過MCP73831進行充電管理。電池正極通過保險絲保護后連接到TPS62840 DC-DC轉(zhuǎn)換器。

• 穩(wěn)壓電路： TPS62840將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為整個系統(tǒng)提供主供電，同時具備極低待機功耗特性。

4.2 MCU與外設(shè)接口

• MCU（STM32L0系列）：

• 內(nèi)部ADC通道連接至傳感器模塊的模擬信號輸出（若需要額外信號調(diào)理）。

• I2C總線連接至MAX30102傳感器模塊、OLED顯示屏以及EEPROM模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

• SPI總線（或其它接口）用于擴展數(shù)據(jù)存儲器或通信模塊（如BLE模塊）。

• 多個GPIO口用于控制LED指示燈、按鍵輸入等。

4.3 傳感器模塊

• MAX30102模塊：

• 模塊電源通過3.3V穩(wěn)壓電源供電。

• I2C接口連接至MCU，傳輸采集數(shù)據(jù)。

• 附加外部濾波電容及小型共模電感，可減少電源噪聲對傳感器精度的影響。

4.4 模擬信號調(diào)理電路

• 低噪聲前置放大器：

• 選用OPA2333等低噪聲運算放大器，接在傳感器的模擬信號輸出端，對微弱信號進行初步放大。

• 采用精密RC濾波器，設(shè)定截止頻率在0.5Hz~5Hz之間，正好覆蓋脈搏信號的頻率范圍，過濾高頻噪聲。

4.5 通信模塊與顯示模塊

• 藍牙BLE模塊：

• 若MCU內(nèi)置BLE模塊則直接調(diào)用相關(guān)接口；如外置，則采用SPI/I2C接口進行數(shù)據(jù)交互。

• 模塊布局上應(yīng)避免與高頻電路靠得太近，以防電磁干擾。

• OLED顯示屏：

• 通過I2C總線連接至MCU。

• 顯示驅(qū)動電路需加入相應(yīng)的旁路電容和抗干擾濾波網(wǎng)絡(luò)，確保顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定更新。

4.6 電路框圖示意

綜合上述各部分，下面給出較詳細的電路框圖示意（圖中各模塊功能對應(yīng)前述說明）：

         [ 鋰電池 ]
             │
        ┌────▼────┐
        │ MCP73831│
        └────┬────┘
             │
       ┌─────▼──────┐
       │ TPS62840   │   3.3V輸出
       └─────┬──────┘
             │
    ┌────────┼────────┐
    │        │        │
┌───▼───┐ ┌──▼────┐  ┌▼─────┐
│  MCU  │ │  MAX30102│  │ BLE │
│(STM32L0)│ │ (傳感器)│  │模塊│
└─┬───┬─┘ └───┬────┘  └┬─────┘
  │   │        │        │
  │   │        └────┐   │
  │   │             │   │
  │   │          I2C總線│
  │   │             │   │
  │   └─────────┐   │   │
  │             │   │   │
  │        ┌────▼────▼────▼─────┐
  │        │     OLED顯示屏     │
  │        └────────────────────┘
  │
  │ 外部擴展：SPI Flash / EEPROM
  └─────────────────────────────

圖2：詳細電路框圖示意

各模塊間的連接均通過低阻抗走線和適當(dāng)?shù)呐月冯娙葸M行電源濾波，確保電磁兼容性（EMC）及信號穩(wěn)定性。在PCB布局設(shè)計時，要注意模擬信號路徑和數(shù)字信號路徑分離，盡量減少串?dāng)_和干擾對采樣信號的影響。

五、設(shè)計關(guān)鍵注意事項與優(yōu)化建議

1. 信號完整性與抗干擾設(shè)計：

• 模擬信號傳輸通路應(yīng)采用屏蔽走線，并加裝旁路電容；敏感元件周圍保持合適的地平面布局。

• 電源部分建議在關(guān)鍵節(jié)點加入多級濾波電容，減少電源噪聲對ADC采樣精度的影響。

2. 低功耗設(shè)計：

• MCU采用睡眠模式和中斷喚醒設(shè)計；無線通信模塊在非數(shù)據(jù)傳輸時進入休眠狀態(tài)。

• 電源管理IC選用高效率器件，確保系統(tǒng)在待機與工作模式下功耗都能得到優(yōu)化。

3. 溫度與校準(zhǔn)補償：

• 血氧測量對溫度較為敏感，建議在系統(tǒng)中增加溫度傳感器，對采集數(shù)據(jù)進行溫度補償校正。

• 定期進行系統(tǒng)校準(zhǔn)，確保長期使用中數(shù)據(jù)精度保持穩(wěn)定。

4. PCB布局與EMI控制：

• 模擬和數(shù)字區(qū)域盡量分區(qū)布置，防止互相干擾。

• 高頻數(shù)字信號走線應(yīng)控制阻抗匹配，保證信號完整傳輸；同時為無線模塊預(yù)留足夠空間，避免金屬屏蔽干擾信號輻射。

5. 固件與數(shù)據(jù)處理算法：

• 在MCU端，采用濾波、平均及動態(tài)校正算法，降低噪聲對脈搏信號計算的干擾。

• 實現(xiàn)血氧計算時，可參考國際標(biāo)準(zhǔn)算法，確保測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

六、總結(jié)

本方案詳細描述了指夾式血氧儀PCBA的設(shè)計思路，從系統(tǒng)總體方案、各模塊功能、關(guān)鍵元器件的選型依據(jù)，到最終電路框圖的構(gòu)建，都做了充分的說明。優(yōu)選的關(guān)鍵元器件主要包括：

• MAX30102傳感器模塊： 集成LED、光電二極管及信號前端電路，實現(xiàn)高精度光電測量；

• STM32L0系列MCU： 低功耗、集成豐富外設(shè)，擔(dān)負數(shù)據(jù)采集、處理及通信任務(wù)；

• TPS62840與MCP73831： 分別負責(zé)低功耗穩(wěn)壓與安全充電管理，確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定；

• 藍牙BLE模塊與OLED顯示屏： 分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸和用戶友好的人機交互界面；

• 低噪聲前置放大器及濾波電路： 確保信號完整性，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供高質(zhì)量采樣數(shù)據(jù)。

整個方案在保證精度、穩(wěn)定性與低功耗的前提下，兼顧了系統(tǒng)集成和模塊化設(shè)計，使得指夾式血氧儀具備可靠的數(shù)據(jù)采集能力、優(yōu)異的用戶體驗以及較長的續(xù)航能力。后續(xù)設(shè)計時，可根據(jù)實際應(yīng)用需求對部分模塊進行二次優(yōu)化，譬如在通信模塊中加入更豐富的BLE協(xié)議支持，或者對顯示模塊進行圖形界面優(yōu)化。

通過合理的電路設(shè)計和元器件選型，該PCBA方案不僅滿足臨床監(jiān)測要求，同時具備較高的市場推廣價值和產(chǎn)品競爭力，為便攜式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了良好的技術(shù)支持。