基于UM3213A脈搏血氧儀方案參考設計方案

一、方案概述

血氧飽和度（SpO2）是血液中攜帶氧分子的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的濃度，是呼吸循環(huán)系統(tǒng)的重要生理參數(shù)。血氧被稱為心率、血壓、體溫、呼吸率之后的第五大人體體征參數(shù)，一般認為血氧飽和度正常應不低于94%，在94%以下為供氧不足。血氧儀主要測量指標分別為脈率和血氧飽和度，該指標能反應心、肺等早期醫(yī)療問題，是臨床醫(yī)療上重要的基礎數(shù)據(jù)之一。指夾式脈搏血氧儀體積小，功耗低，使用方便，便于攜帶。測量時只需將手指插入指夾式光電傳感器中，顯示屏就會直接顯示所測血氧飽和度值和心率值。

UM321xA系列芯片是廣芯微電子（廣州）股份有限公司研制的基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的超低功耗、Low Pin Count、寬電壓工作范圍的32位IoTP處理器SoC芯片系列，重點面向物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)便攜式傳感測量系統(tǒng)中的電池應用場景。

二、主控芯片型號及作用

1. 主控芯片型號

該設計方案采用的主控芯片為UM3213A。UM3213A是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的超低功耗32位IoT處理器SoC芯片，其主頻為32MHz，內(nèi)置64KB閃存，提供最大35個GPIO。該芯片內(nèi)部集成了CAN、12位SAR ADC、UART、SPI、QSPI、I2C等通用外圍通訊接口，ADC、OPA、比較器等傳感獲取接口，以及LPUART、LPTIMER、WDT等超低功耗模塊接口。UM3213A具有高整合度、高抗干擾、高可靠性和超低功耗等技術特點，內(nèi)置RC高頻和低頻振蕩器，支持免晶振應用，支持Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境，支持C語言和匯編語言進行軟件開發(fā)。

2. 主控芯片作用

（1）信號處理與控制

UM3213A作為主控芯片，負責接收來自血氧傳感器和心率傳感器的信號，并通過內(nèi)置ADC模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。隨后，利用芯片內(nèi)部的處理單元對數(shù)字信號進行處理，計算出血氧飽和度和心率值。同時，芯片還負責控制LED光源的開關，以及驅(qū)動顯示屏顯示測量結(jié)果。

（2）低功耗管理

UM3213A具有超低功耗特性，能夠滿足脈搏血氧儀長時間待機和連續(xù)測量的需求。在無手指插入時，芯片能夠自動進入低功耗模式，延長電池使用壽命。當檢測到手指插入時，芯片能夠快速喚醒并進入工作狀態(tài)，確保測量的實時性和準確性。

（3）通訊接口

UM3213A提供了多種通訊接口，如UART、SPI、I2C等，方便與外部設備進行數(shù)據(jù)交換。這些接口可以用于連接顯示屏、藍牙模塊等外部設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和遠程傳輸。

（4）電源管理

UM3213A內(nèi)置電源管理模塊，能夠監(jiān)測電池電量，并在電量不足時發(fā)出報警信號。同時，芯片還支持寬電壓工作范圍，能夠適應不同電池電壓的波動，確保設備的穩(wěn)定運行。

三、設計方案詳細解析

1. 血氧飽和度和脈率檢測

血氧飽和度和脈率的檢測是脈搏血氧儀的核心功能。該方案采用兩束不同波長的光（如660nm的紅光和905/940nm的近紅外光）通過透鏡照射人體指端，而由光敏器件獲取測量信號。兩個光源通過兩個IO分時控制。使用三級OPA將測量信號放大，由低通濾波濾除高頻干擾信號。每級OPA放大后都有一路ADC通道進行采樣，即使用三個ADC通道采樣光敏信號。通過計算紅光和近紅外光被血液吸收的比例，可以推算出血氧飽和度值。同時，通過檢測光信號的周期性變化，可以計算出心率值。

2. 電池電量檢測

電池電量檢測是確保脈搏血氧儀能夠持續(xù)穩(wěn)定工作的重要環(huán)節(jié)。該方案采用UM3213A內(nèi)置的ADC模塊采集VDDCore電壓，經(jīng)過換算計算出電池電量。當電池電量不足時，芯片會發(fā)出報警信號，提醒用戶更換電池。

3. 顯示屏

顯示屏用于顯示血氧飽和度、心率和電池電量等信息。該方案采用128*64分辨率的OLED顯示屏，具有色彩鮮艷、功耗低、視角廣等優(yōu)點。同時，顯示屏支持四向顯示調(diào)節(jié)，方便用戶在不同角度下查看測量結(jié)果。

4. 串口通訊

串口通訊用于系統(tǒng)研發(fā)調(diào)試和后期維護。通過串口通訊，可以將測量結(jié)果上傳到計算機進行進一步分析處理。同時，也可以接收計算機發(fā)送的指令，對設備進行參數(shù)設置和校準等操作。

5. 報警功能

報警功能是脈搏血氧儀的重要安全保障措施。當血氧飽和度或心率值超出正常范圍時，芯片會發(fā)出報警信號，提醒用戶注意身體狀況。同時，當電池電量不足或傳感器脫落時，也會發(fā)出相應的報警信號。

四、方案優(yōu)勢

1. 超低功耗：UM3213A具有超低功耗特性，能夠滿足脈搏血氧儀長時間待機和連續(xù)測量的需求。在無手指插入時，芯片能夠自動進入低功耗模式，延長電池使用壽命。

2. 高集成度：UM3213A內(nèi)部集成了多種功能模塊，如ADC、OPA、UART、SPI等，大大簡化了外圍電路設計，降低了成本。

3. 高可靠性：UM3213A具有高抗干擾和高可靠性特性，能夠在復雜環(huán)境下穩(wěn)定運行，確保測量結(jié)果的準確性。

4. 快速喚醒：UM3213A能夠快速喚醒并進入工作狀態(tài)，確保測量的實時性和準確性。

5. 全面功能：該方案不僅具備血氧飽和度和心率測量功能，還具備電池電量檢測、報警提示等輔助功能，大大提升了設備的實用性和用戶體驗。

五、總結(jié)

基于UM3213A的脈搏血氧儀方案具有超低功耗、高集成度、高可靠性、快速喚醒和全面功能等優(yōu)勢。該方案采用先進的ARM Cortex-M0+內(nèi)核處理器SoC芯片，結(jié)合紅光傳感器和近紅外光傳感器，實現(xiàn)了血氧飽和度和心率的準確測量。同時，通過內(nèi)置ADC模塊和電源管理模塊，實現(xiàn)了電池電量的實時監(jiān)測和低功耗管理。此外，該方案還支持串口通訊和報警功能，進一步提升了設備的實用性和用戶體驗。

在實際應用中，該方案可以廣泛應用于家庭健康監(jiān)測、醫(yī)療機構診斷、運動健身監(jiān)測等領域。通過不斷的技術創(chuàng)新和優(yōu)化，相信未來會有更多基于UM3213A的脈搏血氧儀方案涌現(xiàn)出來，為人們的健康監(jiān)測提供更加便捷、準確、可靠的解決方案。