基于C8051F120的透射式脉搏血氧仪的设计_方启超

３．１ 光 强 控 制 和 驱 动 电 路 光强和驱动电路如图 ３ 所 示，Ｒ＿Ｃ 和ＩＲ＿Ｃ 连 接 单 片
机ＩＯ 口，用 以 实 现 红 光 二 极 管 和 红 外 二 极 管 交 替 发 光； ＤＡ１为 Ｃ８０５１ｆ１２０单片机 ＤＡ 输 出，用 以 控 制 红 光 和 红 外 光二极管的发光强度。
５ 上 位 机 系 统 与 信 号 处 理
上位机检测系统界面如 图 ７ 所 示，操 作 者 可 以 通 过 该 系统 设 置 血 氧 测 量 参 数，实 时 观 察 脉 搏 波 波 形、血 氧 值 和 脉 率 、Ｓ 测 量 和 保 存 波 形 数 据 。
图 ５ 信 号 调 理 电 路
４ 微 处 理 器 系 统 设 计
图 ６ 血 氧 测 量 流 程
血氧测量 共 分 为 ４ 个 子 流 程，状 态 控 制 字 Ｓｔａｔｅ＿ＳａＯ２ 用以控制这４个子流程的循环执行。在红光测量子流程 里，程序首先输出 设 置 好 的 ＤＡ，点 亮 红 光 二 极 管，然 后 等 待 ＤＡ 输 出 稳 定 后，读 取 ＤＣ 信 号 和 ＡＣ 信 号 的 ＡＤ 转 换 值，依据这２个值调节下一次的 ＤＡ 输出值，最后关闭红光 二极管。在血 氧 值 计 算 子 流 程 中，程 序 利 用 红 光 ＤＣ、ＡＣ 信号和红外光 ＤＣ、ＡＣ 信号完成血 氧饱和度值计算。在 红 外光 测 量 子 流 程 中，同 红 光 测 量 子 流 程 类 似 的，得 到 红 外 光 ＤＣ 信号和 ＡＣ 信号的 ＡＤ 转换值。在 脉率计算 子 流 程 中，程序利用红光 ＤＣ、ＡＣ 信号和红外光 ＤＣ、ＡＣ 信号完成 脉 率 值 计 算 ，并 将 一 轮 测 量 的 数 据 发 送 给 上 位 机 。
血液中运输氧的是血 红 蛋 白，它 可 以 与 氧 结 合 或 分 离 成为氧合血红蛋白（ＨｂＯ２）和还原 血 红 蛋 白（Ｈｂ）。脉 搏 血 氧饱和度检测仪的原理是基于血液中氧合血红蛋白和还原 血红蛋白的吸收 光 谱 的 特 性，运 用 朗 伯－比 尔 定 律，使 用 两 个独立波长 的 光 （红 光 和 红 外 光）透 射 手 指 后 或 得 脉 搏 信 号，处理后获得血氧饱和度和心率 。 ［３－４］
微处理器系统的处理器芯片 采用 Ｃ８０５１Ｆ１２０单片 机， 处理速度最高能达到１００ ＭＩＰＳ。单片机自带１６×１６硬件 乘法单元、１２位 ＡＤＣ 和１２位 ＤＡＣ，十分适 合 作 为 血 氧 检 测系统的微处理器控制芯片。
图 ７ 上 位 机 检 测 软 件 界 面 检测到的脉搏波中主要 包 含 工 频 干 扰、基 线 漂 移 ２ 种
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｕｌｓｅ ｏｘｉｍｅｔｅｒ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔ＇ｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ，ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ，ｒａｐｉｄ ａｎｄ
ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ａｒｔｅｒｉａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ ｌａｗ，ｃｈｏｉｃｅ ｔｈｅ ａｄｕｌｔ ｆｉｎｇｅｒ ｃｌｉｐ Ｓｐｏ２ｐｒｏｂｅ ｆｏｒｍａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔｅｒｉａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．Ｓｉｘ ｐｅｏｐｌｅ ｕｓｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｐｕｌｓｅ ｏｘｉｍｅｔｅｒ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｏｘｉｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｍｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｘｉｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔｅｒｉａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｒａｔｅ ｖａｌｕｅｓ ａｃｃｕｒａｔｅ，ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｉｓ ａｖａｉｌａｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｔｅｒｉａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｄｒｉｖｅ；ｍｉｃｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ；Ｃ８０５１Ｆ１２０
可编程器件应用
电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
第３６卷 第２期 ２０１３ 年 ２ 月
基于 Ｃ８０５１Ｆ１２０的透射式脉搏血氧仪的设计
方启超 周 严
（南 京 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 南 京 ２１Байду номын сангаас０９６）
收 稿 日 期 ：２０１２－１２
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第 ３６ 卷
电 子 测 量 技 术
氧 探 头 、调 理 和 控 制 电 路 模 块 、微 处 理 器 系 统 模 块 和 上 位 机 系统模块。血氧探头选用迈瑞公司 ＰＭ９０００监护仪 配套使 用的血氧探头。微处理器系统通过光强控制和驱动电路来 驱动血氧探头调节二 极 管 发 光 强 度；血 氧 探 头 的 光 电 二 极 管接收透过手指的光 强，将 光 信 号 转 为 电 流 信 号 给 信 号 调 理 电 路 ；信 号 调 理 电 路 将 电 流 信 号 转 换 成 电 压 信 号 并 放 大 ， 由单片 机 自 带 的 ＡＤ 模 块 进 行 ＡＤ 转 换；单 片 机 处 理 完 数 据后将数据结果和波形通过串口发送给上位机。
１ 引 言
氧对单个细胞在人体内运作有至关重要的作用。人体 细胞长时间缺氧就会 死 亡；氧 供 应 不 足 也 会 引 起 细 胞 对 病 毒的免疫力下降从而 引 发 疾 病。 因 此，输 送 到 细 胞 中 的 氧 含量是衡量人体健康与否的重要指标。测量人体血液中的 氧含量有多种方法，脉 搏 血 氧 仪 是 临 床 上 常 用 的 一 种 非 侵 入性的测量方法，有利于提早发现组织缺氧的问题 。 ［１－２］
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｕｌｓｅ ｏｘｉｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５１Ｆ１２０
Ｆａｎｇ Ｑｉｃｈａｏ Ｚｈｏｕ Ｙａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
从朗伯－比尔定律入手，推导出血氧饱和度 的 理 论 计 算 公 式 ，进 行 了 脉 搏 血 氧 饱 和 度 检 测 系 统 的 软 硬 件 设 计 ，
利用设计的样机对多 名 测 试 者 进 行 了 检 测，获 得 理 想 的 结 果。设计中密 切 结 合 实 际 应 用，研 究 内 容 涉 及 Ｃ８０５１ｆ１２０ 单片机应用、微电流发 放 大、动 态 监 护 等 技 术，是 生 物 医 学 与电子技术的交叉学科的应用。
摘 要：脉搏血氧仪具有连续、无创、快速、准确监测人体动脉血氧饱和度和心率的功能，在临床上具有 重 要 作 用。 以 朗伯比尔定律为理论基础，采用成人指夹式血氧探头为传感器，以 Ｃ８０５１Ｆ１２０ 单 片 机 组 建 微 处 理 器 系 统 ，进 行 了 血 样 检测的软硬件设计，实现了血氧饱和度检测。使用设计的脉搏血氧仪对６名受试者进行血氧测试，结果表 明 该 血 氧 仪 测 量 的 血 氧 饱 和 度 值 和 脉 率 值 准 确 ，脉 搏 波 波 形 可 用 。 关 键 词 ： 血 氧 饱 和 度 ；光 强 控 制 和 驱 动 ；微 电 流 放 大 ；Ｃ８０５１Ｆ１２０ 中 图 分 类 号 ：ＴＨ７７３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：５１０．１０１０
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图３ ＬＥＤ 驱动电路
方启超 等：基于 Ｃ８０５１Ｆ１２０的透射式脉搏血氧仪的设计
第２期
Ｒ＿Ｃ 和ＩＲ＿Ｃ 的 时 序 图 如 图 ４ 所 示，单 片 机 产 生 一 个 ０．５ｍｓ的基准时序，当 Ｒ＿Ｃ 拉 低，ＩＲ＿Ｃ 拉 高 时，Ｑ１ 截 止 Ｑ２导通，红光二极管被点 亮；当 Ｒ＿Ｃ 拉 高，ＩＲ＿Ｃ 拉 低 时， Ｑ２截 止 Ｑ１ 导 通，红 光 二 极 管 被 点 亮。如 此，实 现 了 红 灯 和红外灯的交替发光，且各自的发光频率为５００ Ｈｚ。
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第 ３６ 卷
电 子 测 量 技 术
噪声，计算血氧值时需要 滤 除 脉 搏 波 中 的 直 流 分 量。 采 用 ｃｏｉｆ４小波 基，对 脉 搏 信 号 做 ９ 层 分 解，在 细 节 系 数 中 滤 除 工频 干 扰，在 近 似 系 数 中 滤 除 基 线 漂 移 和 直 流 分 量，滤 波 效果如图８所示。
射
光
中
的
交
流
成
分
和
直
流
成
分
；ａ９０４ Ｈｂ
和ａ６６０ Ｈｂ
分别代表
Ｈｂ 对
波
长
为９０４ｎｍ
和６６０ｎｍ
光
的
消
光
系
数
；ａ６６０ ＨｂＯ２
代表
ＨｂＯ２
对
波长为６６０ｎｍ 光的消光系数。
３ 硬 件 系 统 设 计
本 系 统 的 总 体 框 图 如 图 ２ 所 示 ，总 共 包 括 ４ 个 模 块 ：血
图 ２ 血 氧 饱 和 度 检 测 系 统 总 体
微处理器系统对相关 外 设 初 始 化 完 成 后，若 接 收 到 上 位机 启 动 血 氧 测 量 的 命 令，则 启 动 定 时 器 开 始 血 氧 测 量， 其流程如图６所示。
图４ ＬＥＤ 驱动电路时序图