基于UM3213A脉搏血氧仪方案参考设计方案

一、方案概述

血氧饱和度（SpO2）是血液中携带氧分子的氧合血红蛋白（HbO2）的容量占全部血红蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的浓度，是呼吸循环系统的重要生理参数。血氧被称为心率、血压、体温、呼吸率之后的第五大人体体征参数，一般认为血氧饱和度正常应不低于94%，在94%以下为供氧不足。血氧仪主要测量指标分别为脉率和血氧饱和度，该指标能反应心、肺等早期医疗问题，是临床医疗上重要的基础数据之一。指夹式脉搏血氧仪体积小，功耗低，使用方便，便于携带。测量时只需将手指插入指夹式光电传感器中，显示屏就会直接显示所测血氧饱和度值和心率值。

UM321xA系列芯片是广芯微电子（广州）股份有限公司研制的基于ARM Cortex-M0+内核的超低功耗、Low Pin Count、宽电压工作范围的32位IoTP处理器SoC芯片系列，重点面向物联网行业便携式传感测量系统中的电池应用场景。

二、主控芯片型号及作用

1. 主控芯片型号

该设计方案采用的主控芯片为UM3213A。UM3213A是一款基于ARM Cortex-M0+内核的超低功耗32位IoT处理器SoC芯片，其主频为32MHz，内置64KB闪存，提供最大35个GPIO。该芯片内部集成了CAN、12位SAR ADC、UART、SPI、QSPI、I2C等通用外围通讯接口，ADC、OPA、比较器等传感获取接口，以及LPUART、LPTIMER、WDT等超低功耗模块接口。UM3213A具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和超低功耗等技术特点，内置RC高频和低频振荡器，支持免晶振应用，支持Keil MDK集成开发环境，支持C语言和汇编语言进行软件开发。

2. 主控芯片作用

（1）信号处理与控制

UM3213A作为主控芯片，负责接收来自血氧传感器和心率传感器的信号，并通过内置ADC模块进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号。随后，利用芯片内部的处理单元对数字信号进行处理，计算出血氧饱和度和心率值。同时，芯片还负责控制LED光源的开关，以及驱动显示屏显示测量结果。

（2）低功耗管理

UM3213A具有超低功耗特性，能够满足脉搏血氧仪长时间待机和连续测量的需求。在无手指插入时，芯片能够自动进入低功耗模式，延长电池使用寿命。当检测到手指插入时，芯片能够快速唤醒并进入工作状态，确保测量的实时性和准确性。

（3）通讯接口

UM3213A提供了多种通讯接口，如UART、SPI、I2C等，方便与外部设备进行数据交换。这些接口可以用于连接显示屏、蓝牙模块等外部设备，实现数据的实时显示和远程传输。

（4）电源管理

UM3213A内置电源管理模块，能够监测电池电量，并在电量不足时发出报警信号。同时，芯片还支持宽电压工作范围，能够适应不同电池电压的波动，确保设备的稳定运行。

三、设计方案详细解析

1. 血氧饱和度和脉率检测

血氧饱和度和脉率的检测是脉搏血氧仪的核心功能。该方案采用两束不同波长的光（如660nm的红光和905/940nm的近红外光）通过透镜照射人体指端，而由光敏器件获取测量信号。两个光源通过两个IO分时控制。使用三级OPA将测量信号放大，由低通滤波滤除高频干扰信号。每级OPA放大后都有一路ADC通道进行采样，即使用三个ADC通道采样光敏信号。通过计算红光和近红外光被血液吸收的比例，可以推算出血氧饱和度值。同时，通过检测光信号的周期性变化，可以计算出心率值。

2. 电池电量检测

电池电量检测是确保脉搏血氧仪能够持续稳定工作的重要环节。该方案采用UM3213A内置的ADC模块采集VDDCore电压，经过换算计算出电池电量。当电池电量不足时，芯片会发出报警信号，提醒用户更换电池。

3. 显示屏

显示屏用于显示血氧饱和度、心率和电池电量等信息。该方案采用128*64分辨率的OLED显示屏，具有色彩鲜艳、功耗低、视角广等优点。同时，显示屏支持四向显示调节，方便用户在不同角度下查看测量结果。

4. 串口通讯

串口通讯用于系统研发调试和后期维护。通过串口通讯，可以将测量结果上传到计算机进行进一步分析处理。同时，也可以接收计算机发送的指令，对设备进行参数设置和校准等操作。

5. 报警功能

报警功能是脉搏血氧仪的重要安全保障措施。当血氧饱和度或心率值超出正常范围时，芯片会发出报警信号，提醒用户注意身体状况。同时，当电池电量不足或传感器脱落时，也会发出相应的报警信号。

四、方案优势

1. 超低功耗：UM3213A具有超低功耗特性，能够满足脉搏血氧仪长时间待机和连续测量的需求。在无手指插入时，芯片能够自动进入低功耗模式，延长电池使用寿命。

2. 高集成度：UM3213A内部集成了多种功能模块，如ADC、OPA、UART、SPI等，大大简化了外围电路设计，降低了成本。

3. 高可靠性：UM3213A具有高抗干扰和高可靠性特性，能够在复杂环境下稳定运行，确保测量结果的准确性。

4. 快速唤醒：UM3213A能够快速唤醒并进入工作状态，确保测量的实时性和准确性。

5. 全面功能：该方案不仅具备血氧饱和度和心率测量功能，还具备电池电量检测、报警提示等辅助功能，大大提升了设备的实用性和用户体验。

五、总结

基于UM3213A的脉搏血氧仪方案具有超低功耗、高集成度、高可靠性、快速唤醒和全面功能等优势。该方案采用先进的ARM Cortex-M0+内核处理器SoC芯片，结合红光传感器和近红外光传感器，实现了血氧饱和度和心率的准确测量。同时，通过内置ADC模块和电源管理模块，实现了电池电量的实时监测和低功耗管理。此外，该方案还支持串口通讯和报警功能，进一步提升了设备的实用性和用户体验。

在实际应用中，该方案可以广泛应用于家庭健康监测、医疗机构诊断、运动健身监测等领域。通过不断的技术创新和优化，相信未来会有更多基于UM3213A的脉搏血氧仪方案涌现出来，为人们的健康监测提供更加便捷、准确、可靠的解决方案。