基于CW32L系列MCU的指夹式血氧仪设计方案

一、引言

指夹式血氧仪是一种通过测量手指末端血液中的血氧饱和度（SpO2）和心率（PR）等生理参数的医疗设备。其工作原理基于血液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对红光（660nm）和红外线（900nm）的不同吸收特性。本文详细介绍了一种基于CW32L系列MCU的指夹式血氧仪设计方案，涵盖了硬件设计思路、软件实现方法以及主要性能指标。

二、主控芯片选型及作用

1. 主控芯片型号

在本设计方案中，我们选择了武汉芯源半导体出品的CW32L系列低功耗MCU作为主控芯片。具体型号包括CW32L031C8T6和CW32L010系列。

• CW32L031C8T6：该芯片集成了主频高达48MHz的ARM Cortex-M0+内核，具有64KB Flash和8KB SRAM，支持多种通信接口（如UART、SPI、I2C）以及丰富的外设资源（如定时器、PWM、ADC等）。

• CW32L010系列：该系列同样基于ARM Cortex-M0+内核，提供了64K Flash和4K SRAM的存储空间，支持二路UART、一路SPI和一路I2C等通信接口，以及12位高速ADC等外设。

2. 主控芯片的作用

主控芯片在指夹式血氧仪中起着至关重要的作用，主要包括以下几个方面：

• 数据处理与控制：MCU负责接收来自光电传感器的模拟信号，通过内置的ADC进行模数转换，然后处理这些数据以计算出血氧饱和度和心率等生理参数。同时，MCU还负责控制LED光源的发射时序和功率，以及显示屏的显示内容和报警提示等。

• 通信接口：MCU提供了多种通信接口，如UART、SPI、I2C等，这些接口可用于与外部设备（如上位机、蓝牙模块等）进行数据交换，实现数据的远程传输和存储。

• 低功耗管理：MCU支持低功耗模式，如待机模式、深度睡眠模式等，有助于降低血氧仪的整机功耗，延长电池使用时间。

• 系统可靠性：MCU具有强大的数据处理能力和丰富的外设资源，能够确保血氧仪在复杂环境下稳定工作，提供准确可靠的测量结果。

三、硬件设计思路

1. 电源设计

电源系统支持USB外接供电、电池供电以及电池充电功能。整体架构包括电源路径管理及电池充电电路、5V供电电路和3.3V供电电路三个部分。

• 电源路径管理：采用P-MOS作为开关，通过G端电压与S端电压关系，实现USB供电与电池供电的动态切换功能。

• 电池充电电路：采用TC4056A芯片作为主控，依托其可编程充电电流控制、充电状态指示等功能，实现单节锂电池充电功能。USB接口增加过压、过流保护电路设计，防止插入瞬间尖峰电压对后级电路的冲击。

• 5V供电电路：采用MT3608芯片搭建Sepic电路，确保在电池电压下降时也能稳定提供5V电压。

• 3.3V供电电路：采用AMS1117-3.3芯片构建LDO降压电路，稳定提供3.3V电压。

2. 主控板设计

主控板包括MCU电路、发射电路、接收电路、按键电路、蜂鸣器电路和TFT显示屏电路等六个部分。

• MCU电路：采用CW32L031C8T6作为主控芯片，设计BOOT电路、SWD烧录接口及复位按钮（不焊接），受空间限制，取消外部晶振电路。

• 发射电路：采用“RS2105+RS622”设计方案。由RS2105电子开关芯片构成双路开关电路，用于控制发射时序；由RS622芯片所包含的两路运算放大器搭配N沟道MOS管形成恒流源电路，通过PWM信号控制电流大小，以实现控制发射信号强弱的目的。采用“660nm红光+900nm红外光”的双波长发射管，内部反向并联连接，通过上述H桥电路控制发射时序和发射功率。

• 接收电路：采用RS622双路运放芯片作为核心。前级与200KΩ电阻及电容构成跨阻放大电路，采集并放大“直流+交流”混合信号；前后级之间通过电容耦合，并与电阻构成高通滤波器，有效滤除直流信号。

• 按键电路：采用1mm超薄按键，通过并联电容构成硬件消抖电路，通过电阻接入MCU的PB03引脚，按键按下为低电平（低电平有效）。

• 蜂鸣器电路（当前版本PCB受空间限制已取消）：采用2KHz无源蜂鸣器作为核心元件，以N沟道MOS管作为开关，通过输出一定频率的PWM信号驱动蜂鸣器发声。

• TFT显示屏电路：用于驱动0.96寸全彩LCD显示屏。设计8P抽屉式下接FPC接口，用于连接带软排线接口的显示屏。同时以PNP三极管作为开关，通过MCU输出一定占空比的PWM信号实现屏幕背光控制。

3. 传感器设计

传感器部分主要包括红光LED和红外线LED灯以及光电二极管。在设备的同一位置设置红光LED和红外线LED灯，当光线从手指的一面穿透到另一面时，光电二极管接收两种血红蛋白对不同波长的光吸收的区别，并产生对应比例的电压信号。这些信号经过ADC转换后送入MCU进行处理。

四、软件设计思路

1. 初始化配置

在软件设计中，首先需要对MCU进行初始化配置，包括时钟配置、外设初始化（如ADC、UART、PWM等）、中断配置等。

2. 数据采集与处理

数据采集部分主要通过ADC采集光电二极管输出的模拟信号，并进行模数转换。然后，通过算法处理这些数据以计算出血氧饱和度和心率等生理参数。算法部分可以采用FFT（快速傅里叶变换）等信号处理算法来提高测量精度。

3. 显示与报警

测量结果通过TFT显示屏进行显示，包括血氧饱和度、心率等参数。同时，可以设置报警功能，当测量值超出预设范围时，通过蜂鸣器或显示屏进行提示。

4. 低功耗管理

为了实现低功耗管理，可以在MCU中配置低功耗模式，如待机模式、深度睡眠模式等。在不需要进行数据采集和显示时，将MCU切换到低功耗模式以降低整机功耗。

五、主要性能指标

1. 血氧饱和度测量范围：70%~100%，精度±1%。

2. 心率测量范围：30~250bpm，精度±1bpm或±1%取大值。

3. 显示方式：0.96inch TFT彩屏显示。

4. 供电方式：锂电池供电，可充电。

5. 低功耗性能：待机模式下功耗极低。

6. 测量时间：85s快速出测量结果。

7. 报警功能：血氧饱和度和脉率超限报警。

8. 其他功能：无手指自动关机、电池电量报警以及电池电量低自动关机等。

六、总结

本文详细介绍了一种基于CW32L系列MCU的指夹式血氧仪设计方案。该方案采用CW32L031C8T6或CW32L010系列MCU作为主控芯片，结合红光和红外线传感器进行血氧饱和度和心率的测量。硬件设计部分包括电源设计、主控板设计和传感器设计等部分；软件设计部分则涵盖了初始化配置、数据采集与处理、显示与报警以及低功耗管理等功能。该方案具有测量精度高、功耗低、体积小、重量轻等优点，适用于家庭、医院等多种场合的生理参数监测。