一、血氧儀測量電路的設計

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）傳輸到RJM8L151的ADC處理單元，MCU處理單元對數據進行處理、轉換和存儲，處理結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動的雙波長LED作為發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，我們采用分時復用的工作方式驅動光電二極管，周期性點亮兩個LED，來實現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驅動脈沖同步的控制信號控制采用保持電路來實現信號的分離，分別得到紅外和紅光兩路信號。LED驅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，包括信號轉換、采樣保持、放大、濾波和補償等功能。由于光電二極管輸出的信號是電流信號，先要轉換成電壓信號才能被后續電路處理。而且光電二極管工作在反向偏置狀態，其結電阻較大，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轉換的TIA。

電流-電壓變換電路輸出的是兩種光分時復用的信號，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濾波網絡來濾除直流分量，其截至頻率設置為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節干電池供電，整機功耗在設計中必須重點考慮，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網終端設備。RJM8L151系列不僅具備出色的運行和待機功耗表現，還內置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的CPU內核和多級流水線指令系統，相同時鐘頻率的處理性能是傳統8051的3倍，采用Keil uVision或IAR集成開發環境開發調試應用代碼。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、3節干電池直接供電，省掉額外的LDO電路，另外RJM8L151低至0.5uA的待機電流，既能保持內部RTC的正常計時，又能保持SRAM數據不變，該性能可大大減小系統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閉時鐘來實現不同需求的功耗。一般情況下使用內部低速時鐘就可以完成對外部中斷的響應，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從低功耗狀態喚醒小于5us，可以實現快速睡眠快速喚醒低占空比工作，這又極大的降低了系統功耗。

RJM8L151有4個時鐘源：內部高速時鐘、內部低速時鐘、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不同的功耗和性能需求。輔助系統時鐘可以使用內部低速時鐘或外部低速時鐘實現低功耗的要求，主系統時鐘提供給RJM8L151的CPU，子系統時鐘為外設提供給時鐘源。多樣的時鐘資源可以降低系統消耗，輔助系統時鐘在保持低功耗的同時也可以接受外部中斷，響應外部環境的變化。使用內部高速RC振蕩器作為主系統時鐘，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，采樣轉換速率高達1MSPS，支持外部參考電壓輸入。

RJM8L151設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內嵌15位窗口看門狗定時器，采用系統時鐘計時，溢出時可產生中斷或復位信號，待機模式下停止計數。

RJM8L151單片機的開發環境是Keil uVision。Keil是全球領先的嵌入式系統開發工具供應商，uVision是C/C++編譯器和調試器的集成開發環境（IDE），其中的Keil C51支持RJM8L151的開發調試，該環境集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編和C語言的程序設計。

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調試又為后期生產安裝提供了方便。RJM8L151支持標準JTAG下載和調試，可以不使用仿真器，用離線編程器就可以實現對內存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。

四、基于RJM8L151K8Q6的指甲式血氧儀BOM清單