(整理)基于MSP430的无创脉搏血氧仪

生物医学工程学院课程设计报告题目：基于MSP430的无创脉搏血氧仪指导教师：年级：2010专业：生物医学工程学生姓名：2013 年 6 月14 日摘要：在分析血氧饱和度测量原理的基础上，设计并实现了基于微处理器MSP430的无创脉搏血氧饱和度检测系统。

半导体光源交替发出的红光和近红外光发送到手指末端，与血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白发生吸收作用，光电探测器接收含有被测信息的光并转换为电信号，经过放大、滤波等处理后由MSP430F169内部自带的12位ADC采样转换，最后在单片机中实现算法及显示结果。

该系统具有精度高、体积小、工作稳定、硬件结构简单等特点。

关键词：探头驱动；前置放大；低通滤波；带通滤波一、系统方案论证透过手指的光经光电探测器转换为电信号，送到前置差分放大电路消除共模信号后进行信号放大。

放大后的信号分别经低通滤波和带通滤波得到直流分量和交流分量。

1.探头驱动方案论证本无创脉搏血氧饱和度测量仪采用两路发光管交替发光采集手指血氧信号，有效的控制两路发光管交替发光，可以提高脉搏波检测的准确度。

为保证发光二极管发出的光亮度恒定，在光源驱动电路中采用了恒流源的设计方案方案一：用集成运放（OP07、OP37）实现恒流驱动电路，能得到较稳定的驱动电流，但是不适用于实现驱动阴阳极连接的交替发光管发光的要求。

方案二：用NE5532和TIP122，通过运放和三极管两次放大，可以得到较稳定的驱动电流，但是对于轮流驱动阴阳极连接的发光管交替发光也不易实现。

方案三：用分立元件9012和9013构成H桥式电路，能实现输出驱动电流恒定且工作在放大区的三极管较集成运放稳定，能适用于本系统的轮流驱动发光管发光的要求。

综合考虑我们选用方案三实现。

2.前置放大电路方案论证经血氧探头获得的电信号非常微弱且携带很多噪声，同时由于人体内阻比较大，需要一个具有高阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移特点的前置放大电路。

方案一：采用三运放构成差分放大电路实现。

差分放大电路具有高阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移特点，符合我们前置放大电路的要求。

方案二：采用集成仪表放大器AD620实现。

AD620是一款高精度，低噪声的仪表放大器，具有高输入电阻和高共模抑制比，其增益可以通过一个外设电阻进行控制。

电路结构简单，易于控制。

综合以上方案以及实际测试情况，因为获得的电信号非常微弱且携带很多噪声，一级放大后的信号仍较小，我们采用两级放大，第一级为差分放大电路，第二级为仪表放大电路。

3.低通滤波方案论证脉搏血氧测定法假设的组织模型由两部分组成：无血组织（皮肤、骨骼、静脉血等）表现为固定的光吸收，即直流成分。

而动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）则为动脉变化的光吸收，即交流变化的信号。

为获得直流信号，需设计一个低通滤波器。

方案一：由电感L，电容C，电阻R组成的无源低通滤波，虽然LC无源滤波器的损耗小，噪声低等优点，但是电感元件体积大，特别是在低频及超低频频带范围内，电感元件的体积更加的庞大。

不利于小型化和集成化。

方案二：巴特沃斯低通滤波。

其特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。

综合以上两种方案，采用方案二构成二阶低通滤波电路。

二、各模块理论分析与计算1.探头驱动理论分析红光发光二极管驱动电路是由Q3、Q2、Q5、Q7以及它们所连接的器件构成。

当控制红光发光管发光的电压端为高电平时，Q3、Q2导通，紧接着，Q5、Q7 导通，+5V 通过 Q2 的集电极加到红光发光二极管的阳极，Q5 的集电极加到红光二级管的阴极，向红光二极管提供稳定的电流，使之发光。

同理，红外光发光二极管驱动电路是由Q4、Q1、Q6、Q8以及它们所连接的器件构成。

当控制红外光发光管发光的电压端为高电平时，Q4、Q1导通，紧接着，Q6、Q8 导通，当Q1导通时，+5V通过 Q1 的集电极加到红外光发光二极管的阳极，Q6 的集电极加到红外管的阴极，向近红外二极管提供稳定的电流，使之发光。

这样，控制红光和红外光发光管交替发光的控制端可用拨码开关控制，形成产生控制红光、红外光交替发光的信号。

探头驱动电路图如图2所示：图2 探头驱动电路模拟红光发光时的电流示数显示如图3，正好符合红光发光时的电流需求：图3 红光发光电流模拟红外光发光时测得的电流如图4所示，也符合红外光发光要求：图4 红光发光电流在实际测量中，测得红光发光时的电流为11mA ，红外光发光时的电流为12.1mA ，与理论大致相符。

2. 前置放大电路理论分析与计算本系统的前置放大电路由初级差分放大电路、仪表放大电路组成。

初级差分放大电路放大倍数为100，通过图示的R2、R6以及R3、R7实现，R6/R2=100，R7/R3=100。

第二级仪表放大电路放大倍数为10倍，通过外设电阻R1实现,根据AD620的使用手册知，放大倍数114.49+=R kG ，当G=10时，可知R1=5k 。

前置放大电路如图5所示：图5 前置放大电路测试结果如表1所示：表1 前置放大测试结果输入电压（mVpp) 输入电压频率（Hz) 输出电压（Vpp)放大倍数5 10 5.061012 由表1知，实测前置放大电路的放大倍数为1060，与理论值大致相符。

3.低通滤波电路参数设置：无血组织（皮肤、骨骼、静脉血等）表现固定的光吸收，由血氧探头采集到的此部分信号即直流成分。

通过查阅资料知此直流成分的频率约在0.5Hz以下，故我们的低通滤波的截止频率为0.5Hz。

由截止频率公式f=1/(2∏R3R6C4C5)=0.5HZ设R3=R6=R=330K，可得 CA=CB=C= 1uF低通滤波器的电路原理图如图6所示：图6 低通滤波原理图低通滤波器的幅频特性曲线如图7所示：图7 低通滤波器幅频特性曲线测试结果如表2所示：表2 低通滤波器的测试结果输入电压（Vpp）输入频率（Hz) 输出电压（Vpp) 衰减倍数5 0.1 4.8 0.965 0.2 4.8 0.965 0.3 4.5 0.95 0.4 3.8 0.765 0.5 3.6 0.725 0.7 2.9 0.585 1 2.4 0.485 3 1.2 0.24由上表可知此低通滤波器的截止频率为0.5Hz，与图7所示的理论截止频率相差不大。

经验证，此模块的测试结果准确。

4.带通滤波器参数计算动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）为动脉变化的光吸收，即交流变化的信号。

由于信号中存在很大高频干扰，而手指接收到的信号频率为0.5Hz-5Hz，所以此电路先通过通频带约为0.1—30Hz的压控电压源四阶带通滤波，减小其余频率的干扰。

由下限截止频率fl =1/(2∏R7R8C7C8)=0.1Hz：设R7=1.8M，R8=1M，可得C7=C8=1uF由上限截止频率fh =1/(2∏R5R6C6C5)=30Hz：设 R5=10K，R6=2K，可得C6=C5=1uF带通滤波器的电路图如图8所示：图8 带通滤波器测得带通滤波器的幅频特性曲线如图9、10所示：图9 带通滤波器下限截止频率图10 带通滤波器上限截止频率测试结果如表3所示：表3 带通滤波器的测试结果输入电压（Vpp）输入频率（Hz) 输出电压（Vpp) 衰减倍数1 0.1 0.65 0.651 0.2 0.71 0.711 0.4 0.96 0.961 0.8 0.98 0.981 5 0.98 0.981 10 0.98 0.981 20 0.91 0.911 30 0.71 0.711 40 0.52 0.52由上表可知此带通滤波器实际测得的下限截止频率为0.2Hz，上限截止频率为30Hz，此结果与图9、10所示的理论截止频率相差不大。

经验证，此模块的测试结果准确。

三、系统测试及结果分析1.测试使用的仪器设备测试使用的仪器设备如表4所示：表4 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1 数字示波器TDS1002 12 CA164OP－20型函数发生器/计数器 13 直流稳压电源 12.测试方法经血氧探头获得的信号通过低通滤波器和带通滤波器后得到的直流信号、交流信号都通过示波器来观察其波形，记录这两路信号的波形和相应的幅值并相应记录红光发光时信号的交流成分和直流成分以及红外光发光时信号的交流成分和直流成分，然后通过公式：()/()()/()AC red DC redQAC ired DC ired，计算Q值。

3.测试数据如表5所示：表5 系统测试数据测试者AC(red)/mV DC(red)/V AC(ired)/mV DC(ired)/V Q1 正常61.8 2.6 65.4 2.4 0.72缺氧58.3 2.4 60.1 1.9 0.762 正常41 1.9 43.16 1.41 0.7缺氧42.4 1.7 44.5 1.4 0.783 正常51 2.4 56.1 1.9 0.71缺氧52.1 2.2 55.8 2.1 0.894 正常62.1 2.7 66.1 2.4 0.83缺氧63.5 2.7 66.8 2.7 0.95 通过查阅资料知，正常状况下的Q值大约在0.65左右，由于手指温度、测试者呼吸节律、实验室略带缺氧的环境、血氧探头易受光度影响等因素，不论正常情况下还是缺氧状况下的测试结果都较理论值有些许偏大，正如表5所示。

从表中可观测到在缺氧状态下测得的Q值较正常状态下测得的Q值大，这点符合理论情况，经验证，测试结果较为正确。

四、小结这几周的课程设计，没有我想象的一帆风顺，也让我深深体会到自己对于模拟电子技术基础并没有我想象的掌握地那么牢固，很多知识还不能灵活的运用到实际的电路设计中。

拿到题目后，老师引导着我们一起分析了我们课程设计的几个模块及各个模块所要达到的指标，也介绍了血氧探头的内部电路结构，之后我们分小组讨论了下便开始设计。

在设计探头驱动电路时，开始没考虑到血氧探头的发光管是阴阳极连接的，在提方案时就只考虑到普通V/I转化驱动电路，实际想搭建测试时就想到这种驱动电路不适用。

在咨询老师之后知道这种连接方式下的驱动电路适合采用H桥式电路。

然后我们用过查阅了解了H桥式电路的相关知识总算设计出了驱动电流为10mA的驱动电路。

在设计并完成各模块搭建测试之后我们便开始整个电路的级联。

起初，我们的前置放大电路仅采用AD620构成的仪表放大电路，放大倍数为100。

结果，在级联时，从带通滤波器出来观察不到波形，几乎没有信号，然后我们讨论了下是不是采集到的信号太弱，放大倍数太小的原因，于是又加了一级差动放大。

虽然此次课程设计不是一帆风顺，但是通过这次课程设计，我们不但对模拟电子技术基础有了更深的理解，也提供了一次让我们更好地将理论知识应用到实际设计的机会。