一、引言

指夹式血氧仪利用光电容积描记法（Photoplethysmography，PPG）检测手指血液的脉搏变化，进而计算出血氧饱和度（SpO₂）和脉率。作为一款便携式、低功耗的医疗健康监测设备，其PCBA设计需要兼顾精密的模拟信号采集、数字信号处理、低功耗运行以及系统集成度等要求。本方案着眼于指夹式血氧仪在实际使用中的稳定性、测量精度和用户体验，详细描述了从传感器采集到数据处理显示的全过程，并对关键元器件的选型进行了详细说明。

二、系统总体方案与结构设计

整个血氧仪系统主要由以下几个模块构成：

1. 传感器模块
   包括红光和红外LED、光电探测器（光敏二极管或集成模块）以及相关的信号调理电路，用于采集血液脉搏信号。通常采用集成化的传感器模块，如MAX30102，其内部集成了LED驱动、低噪声前端放大器和ADC，能够简化设计。

2. 微控制器单元（MCU）
   作为系统的核心控制单元，用于接收传感器数据、执行信号滤波、脉搏及血氧计算，并管理各外设的工作。MCU还负责控制低功耗管理、数据存储、以及可能的无线传输。

3. 电源管理模块
   包括充电电路、电池管理、电压转换（如DC-DC稳压电路）等，确保系统在低功耗模式下稳定工作。对于便携设备，低功耗和高效率是设计重点。

4. 数据存储及通信模块
   依据需求可加入短时数据存储（EEPROM或Flash）和无线通信模块（如蓝牙BLE），便于数据传输和远程监控。

5. 显示与人机交互模块
   可选用低功耗的OLED或LED显示器，显示实时血氧值和脉率信息，提供按键或触摸接口实现基本设置调整。

下图给出了整个系统的电路框图示意：

            +----------------------+
            |      电池/电源       |
            +---------+------------+
                      |
              +-------▼--------+
              |  电源管理IC    |
              |(如TPS62840)    |
              +-------+--------+
                      |
              +-------▼--------+
              |    主供电3.3V  |
              +-------+--------+
                      |
     +----------------+----------------+
     |                |                |
+----▼----+     +-----▼------+    +----▼-----+
|  MCU    |     |  传感器模块 |    | 通信模块 |
|(STM32L0|     |(MAX30102)  |    |(BLE芯片) |
|  系列)  |     +-----+------+    +----+-----+
+----+----+           |                |
     |         模拟信号调理         显示模块
     |           (滤波、放大)          |
+----▼----+          |              +--▼---+
|   ADC   |<---------+              | OLED |
|(集成于MCU)|                       +------+
+---------+

图1：血氧仪系统总体电路框图示意

三、关键元器件选型及说明

在血氧仪的PCBA设计中，每个元器件的性能和匹配度直接影响最终测量的准确性与系统稳定性。以下详细介绍各关键元器件的型号、功能、选型依据及在方案中的作用：

1. 传感器模块

优选型号：MAX30102

• 器件功能：
  MAX30102是一款集成光学传感器模块，内置红光和红外LED、光敏二极管、低噪声前端放大器及模数转换器，专用于测量脉搏和血氧。模块通过I2C接口与MCU通信，可实现数据采集、信号放大与初步滤波。

• 选型原因：

• 集成度高： 减少外围元器件数量，降低系统复杂度。

• 低功耗： 专为便携医疗设备设计，适合长时间运行。

• 应用成熟： 广泛应用于各类脉搏与血氧测量设备，验证了其性能稳定性。

• 参数匹配： 提供较高采样精度和较低噪声水平，有利于后续数据处理。

另外，也可考虑后续升级到更高性能的MAX30105系列，但目前MAX30102在成本和供货上较有优势。

2. 微控制器（MCU）

优选型号：STM32L0系列（如STM32L051）

• 器件功能：
  MCU负责系统控制、数据采集、信号处理、用户交互以及通信管理。STM32L0系列采用超低功耗架构，具备丰富的外设接口（I2C、SPI、ADC、定时器等），适合需要长时间待机和实时处理的便携设备。

• 选型原因：

• 超低功耗： 能够在睡眠和工作模式之间高效切换，延长电池寿命。

• 集成接口丰富： 便于集成传感器模块、显示模块、存储器及通信模块。

• 生态完善： 软件开发工具链成熟，便于快速开发与调试。

3. 模拟信号调理电路

主要组成：低噪声放大器（LNA）、滤波器

• 常用元器件：

• 运算放大器： 如OPA2333、MCP6002等低噪声、低功耗运算放大器，用于对传感器采集的微弱信号进行预放大。

• 滤波元件： RC网络、低通滤波器，用于去除高频噪声和干扰。

• 选型原因：

• 高精度与低噪声： 放大器要求输入偏置低、噪声小，以保证信号完整性。

• 低功耗： 符合整体系统低功耗设计要求。

• 匹配性好： 与MAX30102输出信号匹配，避免信号失真。

4. 电源管理模块

优选型号：TPS62840（低功耗DC-DC转换器）与MCP73831（锂电池充电管理IC）

• 器件功能：

• TPS62840： 用于将电池电压稳定转换为3.3V主供电，具有极低静态功耗，适合便携式设备。

• MCP73831： 提供锂电池充电保护和管理，确保电池充放电安全。

• 选型原因：

• 高转换效率： 保证电池能量最大化利用，延长设备续航时间。

• 保护功能完善： 内置过充、过放、短路等保护机制，确保设备和用户安全。

• 应用成熟： 市场上广泛应用于便携设备，稳定性好。

5. 通信模块

优选型号：蓝牙低功耗(BLE)芯片，如Nordic nRF52832或集成BLE的MCU

• 器件功能：
  实现设备与智能手机或其他终端的无线数据传输，便于实时监控和数据记录。

• 选型原因：

• 低功耗： 适合长期无线通信需求，且能与主控MCU协同低功耗策略。

• 集成度高： 部分芯片可直接替代独立MCU，实现系统模块化设计。

• 生态完善： 提供成熟的软件协议栈和开发支持。

6. 显示模块

优选型号：低功耗OLED显示屏（如0.96英寸OLED模块）

• 器件功能：
  用于显示当前测量数据（血氧值、脉率）、状态提示和菜单界面。

• 选型原因：

• 功耗低、对比度高： OLED显示屏适合低功耗设备，并且在室内外环境中均能清晰显示。

• 接口简单： 通常支持I2C或SPI接口，便于MCU驱动。

• 尺寸合适： 小尺寸、轻量化设计符合指夹设备对体积的要求。

7. 数据存储

优选型号：SPI Flash或内置EEPROM

• 器件功能：
  用于保存历史测量数据、系统配置以及固件升级所需的存储空间。

• 选型原因：

• 容量适中： 根据数据存储需求选择合适容量。

• 稳定性好： 数据保存可靠，抗干扰能力强。

• 接口成熟： SPI接口便于与MCU通信，编程简单。

四、电路原理图设计

在详细设计阶段，需要将上述各模块进行合理集成，确保信号传输完整、干扰最小以及功耗控制得当。下面给出一个较为详细的原理图说明，便于理解各模块的连接关系。

4.1 供电部分

• 电池接口： 采用3.7V锂电池作为主要电源，通过MCP73831进行充电管理。电池正极通过保险丝保护后连接到TPS62840 DC-DC转换器。

• 稳压电路： TPS62840将锂电池电压转换为3.3V，为整个系统提供主供电，同时具备极低待机功耗特性。

4.2 MCU与外设接口

• MCU（STM32L0系列）：

• 内部ADC通道连接至传感器模块的模拟信号输出（若需要额外信号调理）。

• I2C总线连接至MAX30102传感器模块、OLED显示屏以及EEPROM模块，实现数据通信。

• SPI总线（或其它接口）用于扩展数据存储器或通信模块（如BLE模块）。

• 多个GPIO口用于控制LED指示灯、按键输入等。

4.3 传感器模块

• MAX30102模块：

• 模块电源通过3.3V稳压电源供电。

• I2C接口连接至MCU，传输采集数据。

• 附加外部滤波电容及小型共模电感，可减少电源噪声对传感器精度的影响。

4.4 模拟信号调理电路

• 低噪声前置放大器：

• 选用OPA2333等低噪声运算放大器，接在传感器的模拟信号输出端，对微弱信号进行初步放大。

• 采用精密RC滤波器，设定截止频率在0.5Hz~5Hz之间，正好覆盖脉搏信号的频率范围，过滤高频噪声。

4.5 通信模块与显示模块

• 蓝牙BLE模块：

• 若MCU内置BLE模块则直接调用相关接口；如外置，则采用SPI/I2C接口进行数据交互。

• 模块布局上应避免与高频电路靠得太近，以防电磁干扰。

• OLED显示屏：

• 通过I2C总线连接至MCU。

• 显示驱动电路需加入相应的旁路电容和抗干扰滤波网络，确保显示数据稳定更新。

4.6 电路框图示意

综合上述各部分，下面给出较详细的电路框图示意（图中各模块功能对应前述说明）：

         [ 锂电池 ]
             │
        ┌────▼────┐
        │ MCP73831│
        └────┬────┘
             │
       ┌─────▼──────┐
       │ TPS62840   │   3.3V输出
       └─────┬──────┘
             │
    ┌────────┼────────┐
    │        │        │
┌───▼───┐ ┌──▼────┐  ┌▼─────┐
│  MCU  │ │  MAX30102│  │ BLE │
│(STM32L0)│ │ (传感器)│  │模块│
└─┬───┬─┘ └───┬────┘  └┬─────┘
  │   │        │        │
  │   │        └────┐   │
  │   │             │   │
  │   │          I2C总线│
  │   │             │   │
  │   └─────────┐   │   │
  │             │   │   │
  │        ┌────▼────▼────▼─────┐
  │        │     OLED显示屏     │
  │        └────────────────────┘
  │
  │ 外部扩展：SPI Flash / EEPROM
  └─────────────────────────────

图2：详细电路框图示意

各模块间的连接均通过低阻抗走线和适当的旁路电容进行电源滤波，确保电磁兼容性（EMC）及信号稳定性。在PCB布局设计时，要注意模拟信号路径和数字信号路径分离，尽量减少串扰和干扰对采样信号的影响。

五、设计关键注意事项与优化建议

1. 信号完整性与抗干扰设计：

• 模拟信号传输通路应采用屏蔽走线，并加装旁路电容；敏感元件周围保持合适的地平面布局。

• 电源部分建议在关键节点加入多级滤波电容，减少电源噪声对ADC采样精度的影响。

2. 低功耗设计：

• MCU采用睡眠模式和中断唤醒设计；无线通信模块在非数据传输时进入休眠状态。

• 电源管理IC选用高效率器件，确保系统在待机与工作模式下功耗都能得到优化。

3. 温度与校准补偿：

• 血氧测量对温度较为敏感，建议在系统中增加温度传感器，对采集数据进行温度补偿校正。

• 定期进行系统校准，确保长期使用中数据精度保持稳定。

4. PCB布局与EMI控制：

• 模拟和数字区域尽量分区布置，防止互相干扰。

• 高频数字信号走线应控制阻抗匹配，保证信号完整传输；同时为无线模块预留足够空间，避免金属屏蔽干扰信号辐射。

5. 固件与数据处理算法：

• 在MCU端，采用滤波、平均及动态校正算法，降低噪声对脉搏信号计算的干扰。

• 实现血氧计算时，可参考国际标准算法，确保测量结果准确可靠。

六、总结

本方案详细描述了指夹式血氧仪PCBA的设计思路，从系统总体方案、各模块功能、关键元器件的选型依据，到最终电路框图的构建，都做了充分的说明。优选的关键元器件主要包括：

• MAX30102传感器模块： 集成LED、光电二极管及信号前端电路，实现高精度光电测量；

• STM32L0系列MCU： 低功耗、集成丰富外设，担负数据采集、处理及通信任务；

• TPS62840与MCP73831： 分别负责低功耗稳压与安全充电管理，确保系统供电稳定；

• 蓝牙BLE模块与OLED显示屏： 分别实现数据无线传输和用户友好的人机交互界面；

• 低噪声前置放大器及滤波电路： 确保信号完整性，为后续数据处理提供高质量采样数据。

整个方案在保证精度、稳定性与低功耗的前提下，兼顾了系统集成和模块化设计，使得指夹式血氧仪具备可靠的数据采集能力、优异的用户体验以及较长的续航能力。后续设计时，可根据实际应用需求对部分模块进行二次优化，譬如在通信模块中加入更丰富的BLE协议支持，或者对显示模块进行图形界面优化。

通过合理的电路设计和元器件选型，该PCBA方案不仅满足临床监测要求，同时具备较高的市场推广价值和产品竞争力，为便携式医疗设备的发展提供了良好的技术支持。