（电路与系统专业论文）基于ARM的血氧饱和度测量仪研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 人体组织细胞进行新陈代谢所需要的氧是通过血液传输获取的。血红蛋白是 组织中氧的主要载体，它由氧合血红蛋白( n b 0 2 ) 和还原血红蛋白( h b ) 组成。血氧 饱和度( s p 0 2 ) 是氧合血红蛋白在整个血红蛋白所占的百分比，是血液携氧能力的 重要指标。近年来被广泛关注的测量技术是近红外光谱法，它是利用血液中血红 蛋白等吸收谱在不同波长下差异来测定血氧饱和度。 随着微处理器运算能力的增加，a r m 微处理器以其优越的性能必将成为家庭 应用脉搏血氧饱和度测量仪采用的主要平台。本论文立足于家庭医疗监护，进行 了基于w i n c e5 0 嵌入式操作系统的脉搏血氧饱和度测量仪研制，采用三星 s 3 c 2 4 1 0 核心芯片并且基于w i n c e5 0 的操作系统来实现。论文详细阐述了脉搏 血氧饱和度测量仪的测量原理，并具体分析了硬件功能电路，完成了w i n c e5 0 操作系统的底层驱动开发和应用软件开发，设计出了基于a r m 平台的脉搏血氧饱 和度测量系统，完成了实现脉搏血氧饱和度测量的基本功能，系统能够实时测量 到人体的脉搏波形，并计算出血氧饱和度，同时对脉搏波处理算法作了一定的讨 论和分析，部分算法已经移植到系统中。利用了高性能的a r m 处理器作为系统的 控制核心，不但能够实时的测量到脉搏信号，并对信号进行分析处理，而且集成 了丰富的外设接口，有利于整个系统的集成。进一步提高血氧饱和度的测量精度、 系统的集成化和小型化是今后工作的发展趋势。 随着医疗卫生事业的发展，家庭医疗仪器具有广阔的市场空间，脉搏血氧饱 和度测量仪由于其使用简单快速实时的测量方式，非常适合普通家庭的应用。 关键词：血氧饱和度a r m $ 3 c 2 4 1 0w i n d o wc e5 0 驱动移植 a b s t r a c t b i o l o g i c a lt i s s u ec e l l so b t a i no x y g e nw h i c hi sc a r r i e db yb l o o dt o p r o c e s sm e t a b o l is m h e m o g l o b i n ( h b ) ，a ni n t r a c e ll u l a rp r o t e i n ，ist h e p r i m a r yv e h i c l ef o rt r a n s p o r t i n go x y g e ni nt h eb l o o d i tc a r r i e st h e o x y g e na n de x c h a n g e st h i sf o rc a r b o nd i o x i d eo x y g e nr e l e a s e db yt h e p r o c e s s e so fm e t a b o l i s mf r o mt h ec e l i s h e m o g l o b i nf o r m sa nu n s t a b l e ， r e v e r s i b l eb o n dw i t ho x y g e n i ti so x y h e m o g l o b i ni ni t so x y g e n l o a d e d f o r ma n di sd e o x y h e m o g l o b i ni nt h eo x y g e n u n l o a d e df o r m o x y g e n s a t u r a t i o nr e f e r st ot h er a t i oo fo x y h e m o g l o b i nt oa 1 1h e m o g l o b i n ，i t i sai m p o r t a n tm e a s u r eo fe v a l u a t i n gh o ww e l lt h el u n g sa r ep r o v i d i n g o x y g e nt ot h eb l o o d n e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( n i r s ) i sat e c h n i q u eo f g r e a ta t t e n t i o nt h e s ey e a r sf o rt h ei n v e s t i g a t i o no fb i o l o g i c a lt i s s u e s o x y g e ns a t u r a t i o nb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ta b s o r p t i o no fw a t e r ， o x y h e m o g l o b i na n dd e o x y h e m o g l o b i ni nt h en e a r i n f r a r e dr e g i o n t h e m e a s u r e m e n tr e l i e su p o nt h ec h a n g e si np h o t o na b s o r p t i o no fh e m o g l o b i n i nt h et i s s u ea sc h a n g e so c c u ri nt h eh e m o g l o b i nc o n c e n t r a t i o na n do x y g e n c o n t e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o r ，a r mc o r ee m b e d d e ds y s t e m w il lb et h em a i np l a t f o r mf o rh o m el yu s e dp u ls eo x y g e ns a t u r a ti o n m e a s u r e m e n t i nt h ep a p e ra ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r m 9 2 0 tc o r ew h i c h f o c u s e so nf a m i l yh e a l t hc a r ei sd e v e l o p e d s a m s u n g s $ 3 c 2 4 1 0 x1 6 3 2 一b i t a i 瑚m i c r o p r o c e s s o ri su s e da si t sc o r e ，a n dw i n d o w sc e5 0a si t so s t h i sp a p e rg i v e sas o li db a c k g r o u n dt o w a r d sar e a d y t o u s ei n s t r u m e n tt h a t c a nc o n t i n u o u s l y ，i nr e a l - t i m e ，m e a s u r ep u l s ew a v e f o r ma n db l o o d o x y g e n a t i o n t h i sp a p e re x p o u n d st h et h e o r e t i c a lm o d e lo fo x y g e n s a t u r a t i o n sm e a s u r e m e n ta n df u ll yd is c u s s e st h ed u a l - w a v e l e n g t hm e t h o d ， a n a l y z e st h eh a r d w a r ef u n c t i o n a lc i r c u i ti nd e t a il s 。d e v e l o p st h ed r i v e r s a n dt h ea p p li e ds o f t w a r eb a s e do nw i n c e5 0o p e r a t i n gs y s t e m t h e b l o o d o x y g e ns a t u r a ti o nm e a s u r ei n s t r u m e n tisa c c o m p l is h e df i n a l l y ， a t t a i n st h eb a s i cf u n c t i o no fp u l s eb l o o d o x y g e ns a t u r a t i o nm e a s u r e i t c a np l o tt h ep u l s ew a v ea n dc a l c u l a t et h eb l o o d o x y g e ns a t u r a t i o na tr e a l t i m e t h ea r i t h m e t i co fp u l s ew a v ei sd i s c u s s e da n da n a l y z e di nt h et h e s i s a tt h es a m et i m e s o m ea r i t h m e t i ch a sb e e na l r e a d y p o r t i n gi n t ot h es y s t e m a p p l y i n gh i g h p o w e r e da r mm i c r o p r o c e s s o ra ss y s t e mc o r e ，n o to n l yt h e p u l s es i g n a lc a nb em e a s u r e da n da n a l y z e da tr e a lt i m e ，b u ta l s oa b u n d a n t i n t e r f a c e sf o re q u i p m e n tc a nb ei n t e g r a t e di n t ot h ew h o l es y s t e m i ti s at r e n dt h a tt h eb l o o do x y g e ns a t u r a t i o nm e a s u r es y s t e mh a sf u r t h e rm o r e p r e c i s i o n ，s y s t e m a t i ci n t e g r a t i o na n dm i n i a t u r i z a t i o n a sm e d i c a lt r e a t m e n td e v e l o p s ，f a m il yh e a l t hc a r ei n s t r u m e n t sh a v e aw i d em a r k e t p u l s eb l o o d o x y g e ns a t u r a t i o nm e a s u r ei n s t r u m e n tw i l lb e o n eo ft h ew i d e - u s e da p p li c a t i o n si nf a m i1i e sb e c a u s eo fi t sf a s t ， r e a l t i m e ，c o n v e n i e n ta n dc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：o x y g e ns a t u r a t i o na r m $ 3 c 2 4 1 0w i n d o w sc e5 0 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签孙荔斟 矽7 年妇万日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( y ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 血氧饱和度的概念和生理意义 氧是维持人体生命的重要物质，氧的含量只有达到一定的浓度才能满足人体 正常的新陈代谢所需。人体组织细胞进行新陈代谢所需要的氧是从血液中获取 的，血液在通过肺泡时和氧结合，并携带到全身组织。人体组织细胞的正常生理 活动均有赖于连续而充足的氧供应。血红蛋白是组织中氧的主要载体，它由氧合 血红蛋白( h b 0 2 ) 和还原血红蛋白( h b ) 组成。人体内的血液通过心脏的收缩和舒张 脉动地流过肺部，一定含量的还原血红蛋白( h b ) 与肺泡中的9 8 的氧气结合变成 了氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 。这些氧通过动脉系统一直到达毛细血管，然后将氧释放， 维持组织细胞的新陈代谢。血氧饱和度( s p 0 2 ) 是氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 在整个血红 蛋白所占的百分比。因此，血氧指标是人体一个重要生理参数，监测动脉血氧饱 和度可以对肺的氧合血红蛋白携氧能力进行估计。 在临床实践中，有多种血氧检测的方法，但多数是有创的，比如对肌血氧的 监测，通过采动脉血检测血氧乳酸浓度来估计肌肉血氧含量。临床上用的有创检 测方法优点是结果准确，但是却给被监护者带来痛苦，而且不能连续监测，特别 是对于危重病人或新生儿，经常取血是不现实的。因此，发展有效的检测技术， 通过测量组织和血液中血红蛋白的氧合程度，实时、在体、连续监测人体组织中 氧的代谢及输运过程，对生命科学的研究有着重要意义与应用前景。 1 2 技术背景与发展现状 血氧检测的方法有多种，最近被广泛关注的技术是近红外光谱法。近红外光 谱法利用可见光或近红外光的光散射现象，生物组织对可见光特别是近红外光有 较高透明度。这是因为生物组织中占主导地位的水，其吸收谱主要是在3 0 0 n m 以 下和1 0 0 0 n m 以上的波段：而血红蛋白和黑色素仅对4 0 0 n m - 6 5 0 n m 的可见光有强 烈吸收 1 2 3 。因此，在近红外波段各色团的总吸收量较低，使光可以在穿 过数厘米后的生物组织后仍能被探测到。 基于a r m 的血氧饱和度测量仪的研制 根据l a m b e r t - b e e r 定律，最早在十九世纪就有关于近红外光谱方法测定血 氧浓度的研究，1 8 6 0 年时s t o k e s 和h o p p e s e y l e r 两位研究者对血红蛋白的氧 气运输功能进行了相关研究，为血氧饱和度的测量铺平了道路。在1 9 4 2 年时 h o r e c k e r 成功得到血红蛋白及其衍生物在可见光和近红外光区域内的吸收光谱 特性曲线 4 。第二次世界大战中近红外光谱法第一次应用于在体血氧检测，测 定了在非密闭驾驶舱中飞行员的血氧变化 5 ，同时期的m i l l i k a n 研制了能从前 额无创伤测量动脉血氧饱和度的探索装置，并在理论上进行了探讨。此后，很多 研究小组从各自不同的角度将这种方法推广开来，在不同的领域对其进行了深入 的研究。s h a w 在1 9 6 4 年成功研制出一种八波长自身调整的血氧计使得血氧计获 得临床应用，这种血氧计通过分时透过特定波长的光波测定出八个波长的光密度 大小从而计算出血氧饱和度 6 。日本人a o y a g i 在1 9 7 2 年时改进了脉搏血氧饱 和度测量仪，不再采用多个波长的方法测量而是采用红光和红外光透过测量部位 中富含脉动成分的动脉血管，通过这种方法不需要使用繁琐地校准就可以直接计 算出脉搏血氧饱和度值。1 9 8 1 年改进后的技术投入到商业应用中 7 。此后脉搏 血氧计得到了广泛的应用，并迅速进入了到工业生产和临床实用阶段。 现在，脉搏血氧计已经在临床实践中广泛应用，并且逐步走向家庭应用领域。 纵观现有家庭应用的血氧饱和度测量仪，从最初的8 0 8 6 系列单片机、5 1 系列单 片机到p i c 单片机以及d s p 等多种微处理器平台都曾应用到血氧饱和度的测量 上，而且随着微处理器运算能力的增加，测量到的血氧饱和度值也越准确。a r m 是面向低预算市场设计的3 2 位r i s c 微处理器，能够对测量到的大量脉搏数据进 行高速实时地运算处理，而且a r m 为系统的应用功能扩展提供了方便的接口，因 此a r m 平台将成为家庭应用脉搏血氧饱和度测量仪采用的主要平台。 1 3 嵌入式系统概述 血氧检测的方法有多种，最近被广泛关注的技术是近红外光谱法。近红外光 谱法利用可见光或近红外光的光散射现象，生物组织对可见光特别是近红外光有 较高透明度。这是因为生物组织中占主导地位的水，其吸收谱主要是在3 0 0 n m 以 下和1 0 0 0 n m 以上的波段：而血红蛋白和黑色素仅对4 0 0 n m - 6 5 0 n m 的可见光有强 烈吸收 1 2 3 。因此，在近红外波段各色团的总吸收量较低，使光可以在穿 2 第一章绪论 过数厘米后的生物组织后仍能被探测到。 1 3 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，现在主要的嵌入式微处理器有多种： m i p s 系列为高速3 2 位处理器，已经跨入6 4 位时代，具有多处理核集成，性能 突出，主要用于通信领域；x 8 6 系列c p u 性能价格比良好，开发简单，软件兼容 性好。软件资源丰富开发平台简单，主要由i n t e l 和a m d 公司生产产品；p o w e r p c 在高速和低功耗之间作了妥协，接口丰富，被m o t o r o l a 公司广泛应用，形成了 一个庞大的家族曾被广泛用于手持设备，现在逐渐被a r m 取代广泛用于通信领 域，在国内被华为和中兴大量采用。a r m 是微处理器的i p 核，被授权给全世界 上百家半导体厂商分为a r m 7 、a r m 9 、a r m i o 、s t r o n g a r m x s c a l e 应用范围从工业 控制到手持设备和消费电子、通信行业成本低、功耗小。 a r m 微处理器采用r i s c 结构具有r i s c 体系的一般特点外a r m 还有一些特别 的技术。由于其在体积、功耗、性能、价格等各方面出众的表现使其应用于多种 领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 目前，a r m 微处理器主要以下几类： a r m 7 系列，包括a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i - s 、a r m 7 e j s 和a r m 7 2 0 t ，主要 用于对功耗和成本要求比较苛刻的消费类产品。 a r m 9 系列，包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t ，配有c a c h e 、内存管 理和写缓冲，是低价、低能耗、高性能系统微处理器。 a r m 9 e 系列，包括a r m 9 2 6 e j - s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s ，提供了微控 制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案。 a r m i o e 系列，包括a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s ，采用了新的 节能模式，提供了高性能和低功耗的特点，系统集成更加容易。 a r m l l 系列，包括a r m i l 3 6 j s 和a r m l l 3 6 j f s ，采用高性能管道及一流 的高带宽内存系统，是一款极其精巧的低功耗微处理器内核。为实时音 频、视频等应用提供所需的高性能及低功耗。 s e c u r c o r e 系列，包括s c l 0 0 、s c i i o 、s c 2 0 0 和s c 2 1 0 ，提供了机遇高 性能r i s c 技术的安全解决方案。 基于a r m 的血氧饱和度测量仪的研制 s t r o n g a r m 和s t r o n g a r mx s c a l ，基于a r m 体系结构的高性能、低功耗 的微处理器。 1 3 2 嵌入式操作系统 在嵌入式系统发展的初期，还没有出现操作系统的概念，大部分功能是用汇 编语言来实现的。由于这些汇编程序只能用于某一种特定的处理器，因此这种嵌 入式系统的兼容性、通用性和可扩展性都比较差。c 语言的出现促进了嵌入式操 作系统的开发，从2 0 实际8 0 年代开始，出现了多种嵌入式操作系统，当前流行 嵌入式操作系统有：p a l mo s 、w i n d o w sc e 、l i n u x ( u c l i n u x 、r tl i n u x ) 、u c o s i i 、q n x 、v x w o r k s 等。 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) ，具有高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式 实时系统领域占有重要地位。是一款具有可靠性极高的商用嵌入式操作系统。 q n x 极小的实时可扩充内核( 1 2 l ( b ) ，仅提供四种服务( 进程调度、进程间 通信、底层网络通信、中断处理) 运行速度极快，可将系统配置成微小的嵌入式 操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 p a l mo s 是一套专门为掌上电脑开发的0 s ，已经成为全球最知名、使用人数 最多的p d a 操作系统，其最大的特点就是省电以及系统资源开销少，它只占有非 常小的内存而且采用开发式构架开发方便。 l i n u x 是一种开放式源代码、软实时、多任务的嵌入式操作系统，是最为流 行的一款开放源代码的操作系统。资源丰富而且免费，目前正在开发的嵌入式系 统中7 0 以上的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 现已成为嵌入式操 作的理想选择，其中u c l i n u x 不带m m u 可以移植到不带m m u 的处理器上如a r m 7 等，对l j n u x 有经过实时性改造的r t l i n u x 常被用在实时性要求较高的场合。由 于l i n u x 的免费，使l i n u x 在嵌入式的应用具有很大的市场竞争力。 w i n d o w sc e 是微软公司发布的嵌入式操作系统，w i n d o w sc e 是一个3 2 位、 多线程多任务的操作系统。体系结构采用独立于通常的程序设计语言并且和 w i n d o w s 兼容的a p i 方式，这样就可以保障w i n d o w sc e 的组件化和r o m 化，充 分适应有限的存储空间和各种不同的芯片要求。 4 第一章绪论 1 4 本设计主要内容和创新之处 当前随着医疗卫生事业的发展，家庭医疗监护成为一个重要的内容。便携式 的医疗仪器由于其体积小、使用方便、价格低等因素容易为大部分家庭所接受， 因此家庭医疗仪器有着巨大的市场空间。 本论文立足于家庭医疗监护，进行了基于w i n c e5 0 嵌入式操作系统的脉搏 血氧饱和度测量仪的研制。论文详细阐述了脉搏血氧饱和度测量仪的测量原理， 分析了测量仪的结构，完成了操作系统的底层驱动开发和应用软件开发，设计出 了基于a r m 平台的脉搏血氧饱和度测量系统，完成了实现脉搏血氧饱和度测量的 基本功能，同时对脉搏波处理算法作了一定的讨论和分析并给出了仿真结果，部 分仿真算法已经应用在系统中。 利用a r m 系统来实现对脉搏血氧饱和度的测量是利用了高性能的a r m 处理器 作为系统的控制核心，不但能够实时的测量到脉搏信号，并对信号进行分析处理， 而且集成了丰富的外设接口，有利于整个系统的集成。 本设计主要包括以下内容： 自制指套式脉搏信号的测量前端。 前向处理电路的设计以及改进。 脉搏血氧饱和度和脉搏波算法的研究和改进。 在a r m 平台上实现脉搏血氧饱和度测量算法。 w i n c e 操作系统的移植和相应软件上层应用软件的编写。 其中创新之处主要有： 硬件上改进常用测量电路，根据脉搏信号微弱、低频的特点，设计的前 向处理电路使信号的检测更加简便、准确，而且降低对微处理器运算能 力和速度的要求，实现了与微处理器的数据采集和传输； 采用a l i m 9 2 0 t 核心$ 3 c 2 4 1 0 系统的核心微处理器来开发，依靠其强大的 片内模拟和数字部分，整个系统功能强大，结构简单，可靠性高，功耗 低，成本低； 在w i n c e 的操作系统上实现应用程序，底层硬件驱动程序直接负责外围 硬件的操作；上层应用程序调用硬件驱动程序完成对硬件操作，实现系 基于a r m 的血氧饱和度测量仪的研制 统的基本功能。操作系统的应用使得结构更清晰，层次更分明，并使系 统易于程序设计、调试和维护。 在完成本论文期间，本人主要完成了以下的工作： 针对系统需求进行硬件设计：使用三星a r m 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 作 为系统核心，主要包括存储器系统，调试接口，l c d 接口，触摸屏接口， 串行通信接口，以太网接口，形成了一个高性能的嵌入式硬件系统。 绘制了系统原理图并根据原理图设计了p c b 板，自主完成了所有元器件 的采购、制板及焊接工作，完成了整个硬件系统的搭建及系统的调试工 作。 深入研究了w i n c e 嵌入式实时操作系统内核的原理与任务的调度过程。 成功将其应用到$ 3 c 2 4 1 0 微处理器上，掌握了在w i n c e 上添加应用的方 法并应用开发了w i n c e 下的应用软件。 1 5 论文组织结构 论文主要包括以下几个方面的内容： 第一章是绪论部分，通过查阅大量文献主要介绍了组织血氧含量无创监测的 意义及发展历程：阐述了本课题的研究意义和内容。 第二章是利用近红外光谱技术，进行组织血氧含量无创监测的理论推导。通 过总结前人的经验，主要阐述了朗伯一比尔定律等理论，得到消除个体差异后的 吸光度的变化与氧合血红蛋白、还原血红蛋白浓度变化的关系表达。 第三章主要分析了系统功能，从系统功能出发对系统进行硬件电路的设计。 分别从电源电路设计、最小核心系统设计和前向处理电路设计几个部分展开，详 细分析了电路设计的思想原理。 第四章围绕w i n c e5 0 嵌入式操作系统移植过程展开，在深入理解操作系统 的基础上，进行了系统的引导程序和驱动的移植，同时编写了a d c 采样的驱动程 序。本章涉及到w i n c e5 0 操作系统的方方方面，包括驱动模型、进程冲突解决 等。 第五章主要进行了w i n c e5 o 嵌入式操作系统的应用程序编写，主要使用 e v c 工具来编写基于w i n c e5 0 操作系统下的应用程序。主要包括界面设计和部 6 第一章绪论 分的脉搏波处理算法。 第六章对全文工作做了归纳总结以及提出了几个改进测量精度的方向。总结 了本文的创新点，并对提高测量精度和减小测量误差的角度可能存在突破做了简 要介绍，展望血氧测量仪的未来发展趋势。 7 第二章原理和方法 2 1 引言 第二章原理和方法 利用光学特性检测生物体目前有光谱学和光学成像两种方法 8 。近红外光 谱学技术利用血红蛋白在与氧结合或解离的状态不同时对光吸收谱的不同，通过 测定该光吸收谱的变化来连续、无创的测定目标生物组织中的氧浓度及总血容量 的变化，此种方法具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点，有广泛的研究与应 用前景 9 。 本系统设计的理论基础是基于近红外光谱技术。本章从l a m b e r t b e e r 定律 出发，在此基础上分析了近红外光谱术的血氧检测原理，详细推导了近红外血氧 检测的公式和算法，给出能够实际应用到系统设计中的实用检测方法，在最后给 出了医用血氧饱和度标定的实用方法。 2 2 朗伯一比尔( l a m b e r t - b e e r ) 定律 光的吸收定律描述了物质吸收光的定量关系，b o u g u e r 和l a m b e r t 先后于 1 7 2 9 年和1 7 6 0 年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。1 8 5 2 年b e e r 又提 出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系，二者的结合称为 l a m b e r t b e e r 定律。 l a m b e r t - b e e r 定律反应了光学吸收规律，即物质在一定波长处的吸光度与 它的浓度成正比，只要选择合适的波长，测定它的吸光度就可以求出溶液的浓度 和物质的含量。根据l a m b e r t b e e r 定律，入射光光强、透射光光强和吸收层厚 度和吸收物浓度的关系为 r ：土：矿删 o 2 1 其中t 为透射率，。o 为入射光强，为透射光强，占为吸光物质的质量吸光 系数，单位为g 一。册一，c 为吸光物质的浓度，单位为g , - 1 ，d 为吸光物质 的传输距离( 光程) ，单位为c m 一。 9 基于a r m 的血氧饱和度测量仪的研制 l a m b e r t - b e e r 定律成立以下列条件为前提：l 、入射光为单色光：2 、吸收 过程当中各物质无相互作用；3 、辐射与物质的作用仅限与吸收过程，没有散射、 荧光和光化学反应 1 0 。 利用l a m b e r t b e e r 定律可以对不同成分的样品进行测量，具体情况如下： 若样品中只含有一种组织成分，或在混合物中待测组织成分的最大吸收光波 长处无其他共存物质的吸收。此时，可先绘制待测物质的吸收曲线，然后选择 1 最大吸收波长l 雠进行定量测量，其方法多用标准曲线法。 若各种吸光物质吸收曲线互不重叠，这些可在各自最大吸收波长为止分别测 定，与单一组织成分测定方法相同。 若各组织成分的吸收曲线相互重叠，可根据吸光度具有可加性的特点，即多 组织成分试液在某一给定波长处的总吸光度等于各组织成分吸光度之和，通过求 解联立方程来进行测定，但随着组织成分的增多，误差也将增大。 由于入射光进入人体后，由于存在散射现象光不能沿直线传播，从而使得光 子行进的路程远大于介质层厚度。在强散射条件下，光程无法准确得到，导致 l a m b e r t - b e e r 定律失效，为此，需要对l a m b e r t - - b e e r 定律在强散射条件下加 以修正，使之能够精地测量血氧饱和度。 2 3 脉搏血氧测量方法 根据l a m b e r t - b e e r 定律，当以一个特定波长的光入射指端时，透射光强可 分为两部分：一部分是恒定的成分，称为直流量( d c ) ，主要反映指端各种非脉动 成分( 如肌肉、骨骼、色素、脂肪、水和静脉血等) 对光的吸收，另一部分为脉 动成分，称为脉动分量或交流量( a c ) ，是由于血管床随心脏搏动而产生的收缩和 舒张引起，主要反映动脉血中脱氧血红蛋白( h b ) 和氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 对光 的吸收。如图表l ：透射光强脉动示意图所示： 1 0 第二章原理和方法 i ：o 蠢4 ，0 1 ：，0 ， 、o o _ - - ，- 了1 i - 。- v - - 产- - 0 ：= ? ：警：= ：之爨：魄嚣： 饕鼙动成 h - 、- = - 一- - ! - 扣严_ - l - _ 。“_ 洲，、，- k - - + 一 分强收 - k _ - 一- 、r ，、t _ - 一 ”o p - - 一一h 一一一一- 一 f - - - 一_ 毛 o - _ 、1 0 、- _ _ u - _ ，、 - 、4 、 - - m 辞 ? 冀 t j 曩霞 隙矛豸叼鬓 k k 图表1 ：透射光强脉动示意图 这时透光强度公式( 2 1 ) 可写成以下形式： ，= 厶2 一细c o 三木e 一锄q 木e 一c 硒工= 厶e 一知c o 三p 一+ 一锄三 2 2 其中，岛、g 和分别为组织内非脉动成分及静脉血的总吸光系数、光吸 收物质浓度和光路径长度；6 i 加2 、g 觋分别为动脉血液中h b 0 2 的吸光系数和浓 度；、c 矗分别为动脉血液中h b 的吸光系数和浓度。 由于血管床收缩舒张的变化，这时光路径长度l 会随之发生变化，由l 增加 缸，这时式( 2 2 ) 可写成： i + k j = i o p 一勖c o l e - ( c 哟+ 一锄c 肪x 2 3 将式2 2 和式2 3 相除，得 i + s j = e 一( 慨c 脚+ 锄) 址 ， 2 4 考虑透射光中脉动成分a 占恒定成分j 的百分比很小，即i s d r a m 控制器 三个通道的u a r t 四个通道的d m a 四个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟 8 通道1 0 位a d c 触摸屏接口 i i s 总线接口 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口 2 个s p i 接口 s d 卡接口和m m c 卡接口 看门狗计数器 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源 具有日历功能的实时时钟( r t c ) 具有锁相电路( p l l ，包括m p l l 和u p l l ) 功能的时钟发生器。m p l l 产生主时 钟，能够使处理器的工作频率最高达到2 0 3 m h z 。u p l l 产生u s b 设备所需要的时 钟。$ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分为8 组( b a n k ) ，每组的大小是1 2 8 m b ，总共i g b 。 b a n k o 到b a n k s 的地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、 s r a m 或s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。所有内存块的访问周期都可编程。 $ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 八个通用片选信号来选择这些组。 $ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大，比n o rf l a s h 价格低的特点。系统采用n a n df l a s h 和s d r a m 相结合，可以获得非常高的性价 第三章电路设计 比。 $ 3 c 2 4 1 0 具有三种启动方式，可以通过o m 1 ：0 管脚进行选择。 1 、o m 1 ：0 3 = o o 时，处理器从n a n df l a s h 启动。 2 、0 m ( 1 ：o = 0 1 时，处理器从1 6 位宽的r o m 启动。 3 、o m ( 1 ：0 = 1 1 时，处理器从3 2 位宽的r o m 启动。 用户可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的n a n df l a s h 中，并从 n a n df l a s h 启动。当处理器在这种启动模式下复位时，内置的n a n df l a s h 将 访问控制接口，并将启动代码自动加载到内部s r a m ( 此时该s r a m 定位于起始地 址空间为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，容量为4 k b ) 并且运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作 系统镜像加载到s d r a m 中，至此，操作系统便能在s d r a m 中运行。如果从其他方 式启动，那启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，处理器直接 在r o m 上运行启动程序。而4 k b 的启动s r a m 空间被定位于内存地址的o x 4 0 0 0 0 0 0 0 处，因为在这种启动方式下4 k b 的启动s r a m 的地址范围是o x 4 0 0 0 0 0 0 0 到 o x 4 0 0 0 0 f f f 。 $ 3 c 2 4 1 0 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式： 内核采用1 8 v 供电： 存储单元采用3 3 v 独立供电： i o 采用独立3 3 v 供电： m p l l ，u p l l 以及r t c 和复位模块均采用1 8 v 供电：a d c 采用3 3 v 供电。 3 5 电源电路设计 在系统中，核心芯片$ 3 c 2 4 1 0 及部分外围器件需要采用3 3 v 电源，另外处 理电路部分元器件需要5 v 电源，为简化系统电源电路的设计，要求整个系统的 输入电压为1 2 v 直流稳压电源，通过7 8 0 5 稳压电源获得稳定的5 v 输出。在前向 通道的处理电路使用到一5 v 电源，在此进一步将5 v 电源转换为- 5 v 输出，采用 t p s 6 7 3 5 芯片实现转换。 同时为了得到可靠的3 3 v 和1 8 v 电压，分别选用c y s t e c h 电子公司生产的 l m l l l 7 - 3 3 、l m l l l 7 1 8 型l d o 变换器，输入电压为5 v ，输出电压分别为3 3 v 和1 8 v 。电源电路如图表6 所示。 2 l 基于a r m 的血氧饱和度测量仪的研制 3 6 最小系统设计 图表6 ：电源电路 在m s c - 5 1 系列单片机中最小系统是最小最基本的开发单元，而在a r m 的开 发过程中最小系统也同样是最基本的单元，此节就最小系统的搭建给出详细电 路。主要参考资料有 1 5 1 7 。 3 6 1 系统时钟 主时钟给芯片内部晶振工作电路提供工作脉冲，主时钟源来自外部晶振输入 ( x t i p l l ) 或者外部时钟( e x t c l k ) ，可以通过设置o m 3 ：2 管脚来实现不同的时 钟输入，即如表格1 。 表格l ：伽 3 ：2 管脚含义 o m 3 ：2 1 l o m 3 ：2 ld d 瞻四嘶喇墨h o w 秭ec l d c i i sm a d e o m b 翻= o o b , c r y s 毛a i i s u s e d f o r m p l l c 眯哪a n d l 删lc l k 嘲强 o m 3 ：2 = o 坟c r y s t $ 涪u s e df o rm p l lc a _ ks o u r c e a n de 婀l ki su s e df o ru p l lc l ks a i 随 o m l 3 = 2 l = 约b d ( t c u ( i su s e df o rm p l lc l k s o t l r o b a n dc s t a li su s e df o ru p l lc l ks o u c c 譬 o 雌刁= 1 1 坟e x t c u ( i su s e dh 卿l l c u s o u r c ea n du p l l c 陇s o o f o 良 本系统采用1 2 姗z 晶体为$ 3 c 2 4 1 0 芯片提供系统时钟，通过$ 3 c 2 4 1 0 芯片内 部集成的时钟控制逻辑可以产生系统所需的不同频率的时钟信号即f c l k 、p c l k 、 h c l k 。如图表7 为系统时钟连接示意图，由于使用外部晶体，所以需要将s 3 c 2 4 1 0 的e x t c l k 管脚接到i 0 电压v d d ，另外还应将管脚0 m 3 ：2 配置为0 0 ，将0 m 3 和 0 m 2 接地。另一个时钟是3 2 7 6 8 k h z ，用来给实时时钟( r t c ) 工作，可以提供年、 月、日、时、分、秒的日期时间信息。需特别注意，务必保证时钟信号正确且没 有毛刺，尽量减小高次谐波干扰。 第三章电路设计 3 6 2 复位电路 图表7 ：系统时钟连接 该电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能，有助于 用户调试程序。此处选用m a x 7 0 8 型复位电路，与分离的集成电路和分离元件相 比，m a x 7 0 8 型复位电路在系统可靠性和精确度上有明显的改进 1 8 。电路如图 表8 所示： v d d 囊” 鼍= - ， r e s e t g n d ： ： + ；。；_：； 图表8 ：复位电路 3 6 3s t a g 调试接口 j t a g 是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、 调试，通过j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系 统的一种简洁高效的手段。本设计采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试 接口。$ 3 c 2 4 1 0 的j t a g 信号与接口连接如图表9 。 基于a r m 的血氧饱和度测量仪的研制 3 6 4 系统