基于MSP430F149的血氧饱和度检测仪设计

    从生理学角度来讲，氧是维系人类生命活动的基础。正常情况下，血浆中溶解有 2%的氧，称之为 PaO₂，即动脉血液中的氧分压。其余大部分的氧与动脉血液中的血红蛋白结合成为氧合血红蛋白，表示为 HbO₂。相对地，用 Hb 表示没有与氧结合的血红蛋白，即还原血红蛋白。血氧饱和度就定义为氧合血红蛋白在动脉血液中所占的比例^[1]。无创血氧饱和度检测就是鉴于氧合血红蛋白和还原血红蛋白在红外光区、红光区有独特的吸收光谱，从而利用光谱血对生物进行无损检测^[2]。由于该类设备的皆为集中式控制，设备体积大，使用不方便，价格昂贵且不利于管理，限制了其相关应用^[3]。因此体积小、价格便宜的无创式血氧饱和度测量仪具有很大的实用价值。

    本文介绍的是基于MSP430F149 的血氧饱和度检测系统。本设计由系统核心 MSP430F149 产生分时复用的LED光源驱动信号，经驱动电路放大，光电探测器，模拟信号放大部分，交流信号提取电路，通过分光光度法测量出血氧饱和度和心率的血氧饱和度。

    1系统总体方案

    本课题总体方案设计框图如图 1 所示。由系统核心 MSP 430F149 产生时分复用的 LED 光源驱动信号，经驱动电路放大后交替驱动血氧探头中的两路 LED光源，另一侧的光电探测器将接收到的透射光信号转换为电流信号。模拟信号放大部分将电流信号转换为电压信号并放大，所得信号经过交流信号提取电路去除部分直流信号，然后放大交流信号并送至MSP430F149 进行 A/D 采样转换。系统设计的关键部分是数字信号处理模块。通过数字信号处理，将数字量化后的模拟信号处理结果在软件中进行数字滤波，运用脉搏血氧信号提取算法计算^[4]血氧饱和度和脉率。最后将计算结果送至LCD进行显示。

    2 LED 驱动与光源亮度控制

    本系统 LED 光源驱动与亮度增益控制电路图如图 2 所示。图中，MSP430F149 由 P3.0 和 P3.1 输出特定频率的脉冲控制驱动 H 桥式电路，H 桥式电路控制反并联的红外 LED 和红光 LED。四通道电压输出型D/A转换器 TLC7226 的输出端调节 DA_A 和 DA_B 的输出电压大小，并配合P3.0和 P3.1 控制通过 LED 光源的电流，从而控制 LED光源的光照强度。

    3 光电探测器信号采集与处理

    本系统光电探测器信号采集与处理电路如图 3 所示。PIN 型二极管光电探测器的阳极和阴极分别接IN_A和 IN_K。光电探测器接收透射光然后输出微弱的电流信号，经由OP07 搭建而成的跨阻放大器放大并转换成电压信号，作为AR2 差分放大的一端输入信号。光电探测器为 R9 和 R12 提供基准电压。DA_C输出的电压信号作为 AR2 的输入信号偏移量，AR2 只放大两个输入端之间的，因此 AR1 的输出信号中的直流分量（来自机体组织和散射光）被滤除，只有交流分量（来自经脉搏调制后的光信号和外界 50 Hz噪音）被有效放大、再经由软件的 IIR 数字滤波器滤波，可基本除去直流量即为 AD 的采集信号。D3 和 D4 构成上下限限幅电路，保护 MSP430F149 的 ADC端。