基于CW32L系列MCU的指夾式血氧儀設(shè)計(jì)方案

一、方案概述

指夾式血氧儀是一種基于光電容積脈搏波描記法（PPG）的便攜式醫(yī)療設(shè)備，廣泛應(yīng)用于家庭健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)院臨床輔助以及運(yùn)動(dòng)健康管理等場(chǎng)景。本文提出的設(shè)計(jì)方案采用CW32L系列低功耗微控制器作為核心處理單元，配合高精度光電傳感器、OLED顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊及電源管理模塊等關(guān)鍵電路，構(gòu)建一個(gè)低功耗、高性能、便攜式的指夾式血氧儀系統(tǒng)。

二、核心控制器件：CW32L系列MCU

優(yōu)選型號(hào)：CW32L031F6PU

器件作用：CW32L系列MCU是系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行血氧和脈率的計(jì)算處理、驅(qū)動(dòng)顯示屏和藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)整機(jī)控制。

選擇理由：CW32L031F6PU基于Arm Cortex-M0+內(nèi)核，具有低功耗特性，支持豐富的外設(shè)接口（I2C、SPI、USART、ADC等），同時(shí)具有較小的封裝和適中的價(jià)格，非常適合便攜式健康設(shè)備的應(yīng)用。

器件功能：內(nèi)置12位高精度ADC、定時(shí)器、低功耗休眠模式和快速喚醒機(jī)制，能有效保障電池供電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，確保系統(tǒng)在持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)功耗控制良好。

三、光電傳感器模塊

優(yōu)選型號(hào)：MAX30102

器件作用：用于檢測(cè)人體手指中血液對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收，輸出紅光和紅外光的反射信號(hào)，從而進(jìn)行血氧飽和度（SpO2）和脈搏的測(cè)量。

選擇理由：MAX30102集成紅外和紅光LED、光電探測(cè)器、信號(hào)處理和數(shù)字接口于一體，具有低功耗、小尺寸、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，適合穿戴式健康監(jiān)測(cè)。

器件功能：通過(guò)內(nèi)置的模擬前端與ADC進(jìn)行信號(hào)采集和預(yù)處理，輸出數(shù)字化PPG信號(hào)，可直接通過(guò)I2C與MCU通信，提高系統(tǒng)集成度和可靠性。

四、顯示模塊

優(yōu)選型號(hào)：SSD1306 0.96寸OLED模塊（I2C接口）

器件作用：用于實(shí)時(shí)顯示血氧飽和度、心率及電量信息，提升用戶(hù)交互體驗(yàn)。

選擇理由：OLED屏幕對(duì)比度高、功耗低、顯示內(nèi)容清晰，SSD1306控制芯片支持I2C通信，與CW32L系列MCU兼容性良好，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便。

器件功能：支持128×64像素圖形顯示，能夠以圖形化方式展示心率曲線(xiàn)、數(shù)值信息，具備較高的顯示自由度與用戶(hù)體驗(yàn)。

五、藍(lán)牙通信模塊

優(yōu)選型號(hào)：JDY-08（基于BLE4.0）

器件作用：實(shí)現(xiàn)設(shè)備與手機(jī)App之間的數(shù)據(jù)傳輸，便于用戶(hù)遠(yuǎn)程查看測(cè)量數(shù)據(jù)及歷史記錄。

選擇理由：JDY-08支持低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議，具有體積小、易配置、兼容性好等優(yōu)勢(shì)，適合移動(dòng)健康類(lèi)產(chǎn)品。

器件功能：通過(guò)串口與MCU通信，支持BLE廣播和連接傳輸，兼容安卓和iOS平臺(tái)上的主流健康管理App協(xié)議棧。

六、電源管理模塊

優(yōu)選型號(hào)：TP4056（帶保護(hù)功能的鋰電池充電管理芯片）+ XC6206P332MR（LDO穩(wěn)壓芯片）

器件作用：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電壓，實(shí)現(xiàn)鋰電池的安全充電和穩(wěn)壓輸出。

選擇理由：TP4056具有完整的鋰電池充電管理功能，帶有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)電路；XC6206輸出穩(wěn)定，適合為核心MCU與傳感器供電。

器件功能：TP4056支持通過(guò)USB接口進(jìn)行鋰電池充電，帶有充電指示功能；XC6206穩(wěn)定輸出3.3V電壓，為CW32L和其他模塊提供穩(wěn)定供電。

七、電路框圖說(shuō)明

八、信號(hào)處理與算法模塊

在CW32L031中集成血氧和脈搏算法模塊。通過(guò)獲取MAX30102的紅光和紅外光信號(hào)并分別進(jìn)行低通濾波、心率檢測(cè)、SpO2比值計(jì)算等步驟，采用浮點(diǎn)或定點(diǎn)算法實(shí)時(shí)計(jì)算輸出值。該處理由MCU完成，無(wú)需外部DSP芯片，節(jié)省成本與功耗。信號(hào)算法中使用峰值檢測(cè)來(lái)分析心率波形周期，并依據(jù)吸收光比值計(jì)算SpO2。為了提升魯棒性，系統(tǒng)會(huì)在不同的環(huán)境光條件和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)。

在CW32L031 MCU中實(shí)現(xiàn)完整的血氧和脈搏計(jì)算算法模塊，系統(tǒng)主要基于MAX30102傳感器輸出的紅光與紅外光PPG信號(hào)，執(zhí)行多級(jí)數(shù)字信號(hào)處理和生理參數(shù)計(jì)算。該模塊可劃分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、信號(hào)濾波、特征提取、參數(shù)計(jì)算與異常判斷五大步驟，構(gòu)建一套適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、資源占用低的嵌入式算法體系。

1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理

• 使用I2C接口高速讀取MAX30102輸出FIFO數(shù)據(jù)，并將其緩存在環(huán)形緩沖區(qū)中。

• 實(shí)施動(dòng)態(tài)基線(xiàn)校正技術(shù)（Baseline Wander Removal），消除因環(huán)境溫度、光線(xiàn)變化及手指位置引起的DC偏移。

• 引入滑動(dòng)窗口平均處理初步抑制瞬時(shí)毛刺干擾。

2. 信號(hào)濾波

• 采用IIR低通濾波器（截止頻率≈3Hz）濾除高頻噪聲，提高心率波形平滑性。

• 增設(shè)可選帶通濾波器（0.5Hz~4Hz），用于隔離典型心率頻段內(nèi)的有效信號(hào)，特別適合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使用。

• 在濾波器系數(shù)設(shè)計(jì)中采用定點(diǎn)Q15表示，降低對(duì)MCU浮點(diǎn)運(yùn)算能力的依賴(lài)。

3. 特征提取與心率檢測(cè)

• 使用快速一階微分法檢測(cè)PPG信號(hào)上升沿，結(jié)合閾值門(mén)限實(shí)現(xiàn)峰值提取。

• 引入脈搏間期（IBI，Inter-Beat Interval）計(jì)算，基于檢測(cè)到的多個(gè)脈沖波峰之間的時(shí)間間隔，確定心率（HR = 60 / 平均IBI）。

• 為避免假峰干擾，采用峰值確認(rèn)機(jī)制（如振幅與幅度梯度聯(lián)合判斷）提升檢測(cè)準(zhǔn)確率。

4. SpO2計(jì)算方法

• 基于紅光與紅外光信號(hào)的AC/DC成分比值，計(jì)算吸光比率R（R = (AC_red/DC_red) / (AC_ir/DC_ir)）。

• 使用經(jīng)驗(yàn)擬合公式推導(dǎo)SpO2值（如 SpO2 = 110 - 25 × R），其中擬合系數(shù)基于臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定。

• 支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，根據(jù)歷史值平滑更新R，提高在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和暗光環(huán)境下的穩(wěn)定性。

5. 異常檢測(cè)與信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)

• 增設(shè)信號(hào)質(zhì)量評(píng)分機(jī)制（Signal Quality Index, SQI），根據(jù)波形周期性、幅度穩(wěn)定性、噪聲比等參數(shù)評(píng)估信號(hào)可信度。

• 當(dāng)SQI低于設(shè)定閾值時(shí)，暫停SpO2與心率更新，并在OLED界面提示用戶(hù)調(diào)整手指姿態(tài)。

• 實(shí)施錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志（如信號(hào)丟失、數(shù)據(jù)飽和等）輸出，便于后端App做容錯(cuò)處理。

6. 功耗優(yōu)化與執(zhí)行策略

• 算法執(zhí)行采用雙緩存方式，與傳感器采樣任務(wù)解耦，提高數(shù)據(jù)處理效率。

• 主循環(huán)中僅在數(shù)據(jù)有效并達(dá)到更新閾值時(shí)才觸發(fā)完整計(jì)算流程，降低處理器負(fù)載。

• 在不活動(dòng)時(shí)段關(guān)閉不必要外設(shè)并進(jìn)入STOP模式，由定時(shí)器或外部中斷喚醒，提高整體電池續(xù)航能力。

九、外殼結(jié)構(gòu)與人機(jī)交互設(shè)計(jì)

采用ABS塑料注塑成型的指夾結(jié)構(gòu)，搭配軟硅膠襯墊，提高佩戴舒適性與測(cè)量穩(wěn)定性。外殼設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，方便用戶(hù)單手操作，且可適配不同手指粗細(xì)。顯示界面采用高亮OLED屏幕并輔以單按鍵操控邏輯，用戶(hù)短按可切換顯示頁(yè)面，長(zhǎng)按則觸發(fā)藍(lán)牙配對(duì)，操作直觀(guān)，學(xué)習(xí)成本低，適合所有年齡段用戶(hù)。外殼預(yù)留充電口和散熱孔，確保長(zhǎng)時(shí)間使用下的設(shè)備安全性與穩(wěn)定性。

十、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

CW32L MCU固件開(kāi)發(fā)可采用Keil或IAR平臺(tái)，使用官方提供的HAL庫(kù)驅(qū)動(dòng)各外設(shè)模塊。主程序采用狀態(tài)機(jī)框架，實(shí)現(xiàn)以下功能模塊：

1. 系統(tǒng)初始化：完成時(shí)鐘、GPIO、ADC、I2C、UART、定時(shí)器等外設(shè)初始化；

2. 傳感器數(shù)據(jù)采集與處理：周期性啟動(dòng)ADC采集任務(wù)，讀取PPG數(shù)據(jù)并計(jì)算SpO2和心率；

3. 顯示刷新與用戶(hù)按鍵響應(yīng)：定時(shí)更新OLED顯示內(nèi)容，響應(yīng)用戶(hù)按鍵進(jìn)行功能切換；

4. 藍(lán)牙連接與數(shù)據(jù)上傳：檢測(cè)JDY-08連接狀態(tài)并將數(shù)據(jù)通過(guò)BLE推送至App；

5. 睡眠喚醒管理：在無(wú)操作及無(wú)采樣狀態(tài)下進(jìn)入STOP低功耗模式，按鍵或中斷觸發(fā)喚醒。