采用ADuC7024精密模拟微控制器的ADI脉搏血氧仪解决方案

脉搏血氧仪以非介入方式测量血液中的含氧量，包括发射路径，接收路径，显示和背光，数据接口以及音频报警。发射路径包括红光LED，红外光LED和用于驱动LED的DAC。路径接收光电包括二极管传感器，信号调理，模数转换器和处理器。ADI的脉搏血氧仪解决方案采用控制器ADuC7024精密模拟微控制器，具有多达16路的12位1MSPS的ADC和采用ARM 7TDMI核16位/ 32位RISC架构的MCU。本文介绍了ADuC7019 / 20/21/22/24/25 /27分之26/29分之28主要特性和功能框图，控制器ADuC7024评估板主要特性，电路图状语从句：材料清单，以及ADI脉搏血氧仪功能介绍及其主要元件表。

ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29是完全集成的，1 MSPS，12位数据采集系统，集成了高性能多通道ADC，16位/ 32位MCU和闪存®/ EE存储器位于单个芯片上。

ADC最多包含12个单端输入。另有四个输入可用，但与四个DAC输出引脚复用。四个DAC输出仅在某些型号（ADuC7020，ADuC7026，ADuC7028和ADuC7029）上可用。但是，在许多不存在DAC输出的情况下，这些引脚仍可以用作附加ADC输入，最多提供16个ADC输入通道。ADC可以在单端或差分输入模式下工作。ADC输入电压为0 V至VREF。低漂移带隙基准电压源，温度传感器和电压比较器完善了ADC外设设置。

根据器件型号的不同，片上最多可提供四个缓冲电压输出DAC。DAC输出范围可编程为三个电压范围之一。

这些器件通过片上振荡器和PLL工作，产生41.78 MHz（UCLK）的内部高频时钟。该时钟通过可编程时钟分频器路由，并由此产生MCU内核时钟工作频率。微控制器内核是ARM7TDMI®，16位/ 32位RISC计算机，可提供高达41 MIPS的峰值性能。片上提供了8 KB的SRAM和62 KB的非易失性Flash / EE存储器。ARM7TDMI内核将所有内存和寄存器视为一个线性阵列。

片内工厂固件支持通过UART或I2C串行接口端口进行在线串行下载；还通过JTAG接口支持非侵入式仿真。这些功能已集成到支持该MicroConverter®系列的低成本QuickStart™开发系统中。

这些器件的工作电压为2.7 V至3.6 V，额定温度范围为−40℃至+ 125℃。当工作在41.78 MHz时，功耗通常为120 mW。ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29提供多种存储器型号和封装（请参阅《订购指南》）。

ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29主要特性：

模拟I / O

多通道，12位，1 MSPS ADC

多达16个ADC通道1

全差分和单端模式

0 V至VREF模拟输入范围

12位电压输出DAC

多达4个DAC输出可用

1片内参考电压

片内温度传感器（±3°C）

电压比较器

微控制器

ARM7TDMI内核，16位/ 32位RISC架构

JTAG端口支持代码下载和调试

时钟选项

修整的片上振荡器（±3％）

外部

时钟晶体外部时钟源，最高44 MHz

41.78 MHz PLL，带可编程分频器

存储器

62 kB Flash / EE存储器，8 kB SRAM

在线下载，基于JTAG的调试，

软件触发的在线可重编程

性，片上外设

UART，2×I2C®和SPI串行I / O

最多40针GPIO端口1

4个通用定时器

唤醒和看门狗定时器（WDT）

电源监控器

三相16位PWM发生器1

可编程逻辑阵列（ PLA）

外部存储器接口，高达512 kB1

功率

指定用于3 V操作

主动模式：11 mA @ 5 MHz，40 mA @ 41.78 MHz

封装和温度范围

从40引线6 mm×6 mm LFCSP到80引线LQFP1

完全额定用于–40℃至+ 125℃的操作

工具

低成本QuickStart™开发系统

完整的第三方支持

ADuC7019 / 20/21/22/24/25/26/27/28/29应用：

工业控制和自动化系统

智能传感器，精密仪器

基站系统，光网络

图1.ADuC7026框图

图2.ADuC7020典型系统配置图

ADuC7024评估板

开发系统，用于评估ADuC7024 / 25，完全集成的1 MSPS，12位数据采集系统，集成了高性能多通道ADC，16位/ 32位MCU和闪存/ EE内存在单个芯片上。

ADuC7024评估板的主要特性：

•2层PCB（4“ 5”尺寸）

•9 V电源调节至板载3.3 V

•4引脚UART接头连接到RS232接口电缆

•20引脚标准JTAG连接器连接到ULINK仿真器

•演示电路

•32.768 kHz监视晶体来驱动PLL时钟

•ADR291 2.5 V外部基准芯片

•复位/下载/ IRQ0按钮

•电源指示灯/通用LED

•从外部接头连接器访问所有ADC输入和DAC输出。所有设备端口都引出到外部接头连接器引脚。

•表面安装和通孔通用原型区域

图3.ADuC7024评估板电路图

控制器ADuC7024评估板材料清单：

ADI脉搏血氧仪解决方案

脉搏血氧仪以非介入方式测量血液中的含氧量，它以完全饱和的水平的百分比来表示，用单个数值来表示，即所谓的血氧饱和度百分比，常常称为该测量基于血液中血红蛋白的光吸收特性。在可见光谱和近红外光谱内，含氧血红蛋白（HbO2）与脱氧血红蛋白（Hb）具有不同的吸收曲线。 ，红外光（IR）频率的光线照射。HbO2则相反，吸收的红光频率的光线照射，红外光（IR）频率的光线照射。中光的单个组织位置透射光线。红光和红外光LED采用时间交替处理来转换光线，因此不会相互干扰。光和红外光的光电二极管接收光线，然后由一个跨导放大器产生与所接收光线强度成比例的电压。的脉冲特性，将会在测量周期中确定并显示脉搏率和强度。

脉搏血氧仪包括发射路径，接收路径，显示和背光，数据接口以及音频报警。发射路径包括红光LED，红外光LED和用于驱动LED的DAC。接收路径包括光电二极管传感器，信号调理，模数转换器和处理器。

脉搏血氧仪系统设计考虑和主要挑战

设计脉搏血氧仪系统时，需要解决多个难题，如低血流灌注，运动和皮肤湿度，杂散光干扰，碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白干扰等。

•低血流灌注（小信号水平）。光电二极管测量需要宽动态范围和低噪声增益的信号调理，以便捕捉脉搏事件。发射和接收路径需要具有精确的DAC的精确度，低噪声LED驱动电路和具有ADC的高级模拟前端电路。

•运动和皮肤湿度。运动会引起伪像，这可以通过软件算法来解决，或者利用ADXL345等加速度计来检测并解决。

•杂散光干扰，使用光电二极管来响应红光和红外光，它很容易受环境光干扰。因此，用于过滤出红光和红外光目标信号的算法非常重要，这意味着信号处理更加复杂。这种情况下，需要使用具有更高信号处理能力的DSP。

•碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白。一氧化碳（CO）很容易与血红蛋白结合，使血液变得更像红色HbO2，导致测得的SpO2值虚高。血红素基中的铁处于异常状态，无法携带氧（Fe + 3而不是Fe + 2），导致血红蛋白减少，SpO2读数虚低。使用更多波长可以提高精度，从而需要更高性能的数字处理DSP。处理时间常数。

图4。脉搏血氧仪解决方案外形图

图5.脉搏血氧仪功能定位

脉搏血氧仪功能定位中主要元件表：

图6。脉搏血氧仪演示系统定位

责任编辑：gt