一、血氧儀測量電路的設(shè)計
指夾式脈搏血氧儀硬件檢測電路主要有4個部分組成，光電傳感器部分、模擬信號處理單元、MCU處理單元和顯示輸出部分。首先，光電傳感器將采集到的信號傳輸至模擬信號處理電路；其次，模擬信號處理單元對接收到的信號進行I/V轉(zhuǎn)換、采樣、濾波、放大和分離，將分離后的4路信號（紅光交流信號、紅光直流信號、紅外交流信號、紅外直流信號）傳輸?shù)絉JM8L151的ADC處理單元，MCU處理單元對數(shù)據(jù)進行處理、轉(zhuǎn)換和存儲，處理結(jié)果送至顯示輸出部分由OLED顯示屏顯示出來，或通過BLE傳送到手機APP。
傳感器部分由一個雙向驅(qū)動的雙波長LED作為發(fā)光元件和一個光電二極管作為感光器件。由于兩個波長的光信號共用同一個光電二極管，我們采用分時復(fù)用的工作方式驅(qū)動光電二極管，周期性點亮兩個LED，來實現(xiàn)在同一條傳輸路徑上檢測兩路光信號。為了得到兩路獨立的信號，我們采用與LED驅(qū)動脈沖同步的控制信號控制采用保持電路來實現(xiàn)信號的分離，分別得到紅外和紅光兩路信號。LED驅(qū)動時序脈沖和采樣保持電路切換時序脈沖都由RJM8L151的GPIO提供。
模擬信號處理單元完成對光電二級管采集信號的處理，包括信號轉(zhuǎn)換、采樣保持、放大、濾波和補償?shù)裙δ?。由于光電二極管輸出的信號是電流信號，先要轉(zhuǎn)換成電壓信號才能被后續(xù)電路處理。而且光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，其結(jié)電阻較大，輸出電流較小。所有要選用輸入阻抗較高的運算放大器做為I/V轉(zhuǎn)換的TIA。
電流-電壓變換電路輸出的是兩種光分時復(fù)用的信號，要將兩種光的信號分離就要用兩路獨立的采樣保持電路，用RJM8L151的GPIO來控制和切換兩路采樣保持電路，并且要與LED驅(qū)動脈沖的控制脈沖同步。
由于分離出來的交流信號非常微弱，為了消除直流分量和高頻干擾，電路中采用帶通濾波器處理紅光和紅外信號。帶通濾波器由高通和低通兩部分組成，其中高通部分采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)來濾除直流分量，其截至頻率設(shè)置為0.23Hz。低通部分采用二階低通濾波電路，其截至頻率為0.48Hz。
二、測量MCU的選擇
指夾式脈搏血氧儀通常采用2節(jié)干電池供電，整機功耗在設(shè)計中必須重點考慮，其中MCU的功耗尤為重要。瑞納捷電子推出了RJM8L151系列是超低功耗MCU，非常適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。RJM8L151系列不僅具備出色的運行和待機功耗表現(xiàn)，還內(nèi)置12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比較器，對微弱信號傳感器的高精度、實時檢測極為有益。RJM8L151豐富的外圍接口使擴展各種通信模塊、功能模塊更加方便。RJM8L151基于增強型哈佛架構(gòu)的CPU內(nèi)核和多級流水線指令系統(tǒng)，相同時鐘頻率的處理性能是傳統(tǒng)8051的3倍，采用Keil uVision或IAR集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)調(diào)試應(yīng)用代碼。RJM8L151系列MCU的硬件框圖如下圖所示。
RJM8L151的正常工作電壓范圍是1.62V到5.5V,非常適合2節(jié)、3節(jié)干電池直接供電，省掉額外的LDO電路，另外RJM8L151低至0.5uA的待機電流，既能保持內(nèi)部RTC的正常計時，又能保持SRAM數(shù)據(jù)不變，該性能可大大減小系統(tǒng)對電池容量尺寸的要求。RJM8L151具有6種電源管理模式，通過裁剪時鐘樹的方式關(guān)閉時鐘來實現(xiàn)不同需求的功耗。一般情況下使用內(nèi)部低速時鐘就可以完成對外部中斷的響應(yīng)，同時又可以保持很低的功耗，這是同類MCU無法做到的。另外，RJM8L151從低功耗狀態(tài)喚醒小于5us，可以實現(xiàn)快速睡眠快速喚醒低占空比工作，這又極大的降低了系統(tǒng)功耗。
RJM8L151有4個時鐘源：內(nèi)部高速時鐘、內(nèi)部低速時鐘、外部高速時鐘和外部低速時鐘。RJM8L151的時鐘控制模塊將這幾個時鐘源通過靈活的配置分頻實現(xiàn)不同的功耗和性能需求。輔助系統(tǒng)時鐘可以使用內(nèi)部低速時鐘或外部低速時鐘實現(xiàn)低功耗的要求，主系統(tǒng)時鐘提供給RJM8L151的CPU，子系統(tǒng)時鐘為外設(shè)提供給時鐘源。多樣的時鐘資源可以降低系統(tǒng)消耗，輔助系統(tǒng)時鐘在保持低功耗的同時也可以接受外部中斷，響應(yīng)外部環(huán)境的變化。使用內(nèi)部高速RC振蕩器作為主系統(tǒng)時鐘，不僅可以省去一個外部的高速晶振，同時可以快速喚醒MCU來降低功耗。
模擬電路方面，RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC，采樣轉(zhuǎn)換速率高達1MSPS，支持外部參考電壓輸入。
RJM8L151設(shè)計了豐富的定時模塊，包括2個16位基本定時器，1個16位通用定時器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。2個16位高級定時器除了支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能，還支持12對互補PWM輸出。1個實時時鐘RTC模塊，產(chǎn)生年、月、日、時、分、秒，并有自動閏年補償功能，采用外部32.768kHz晶振提供時鐘可使計時誤差更小。RJM8L151內(nèi)嵌15位窗口看門狗定時器，采用系統(tǒng)時鐘計時，溢出時可產(chǎn)生中斷或復(fù)位信號，待機模式下停止計數(shù)。
RJM8L151單片機的開發(fā)環(huán)境是Keil uVision。Keil是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具供應(yīng)商，uVision是C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），其中的Keil C51支持RJM8L151的開發(fā)調(diào)試，該環(huán)境集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編和C語言的程序設(shè)計。
RJM8L151系列MCU配備了高效的在線仿真器和下載器，既可以方便前期開發(fā)調(diào)試又為后期生產(chǎn)安裝提供了方便。RJM8L151支持標準JTAG下載和調(diào)試，可以不使用仿真器，用離線編程器就可以實現(xiàn)對內(nèi)存Flash的修改，提高了批量燒錄的效率，也為程序升級維護提供了方便。
三、基于RJM8L151K8Q6的方案原理圖
基于RJM8L151K8的方案原理圖如下所示。
