血氧仪开发套件 血氧仪开发套件

1. 血氧饱和度测量（40%~100%，精度 ±2%@70%~100%）

技术指标解析

• 测量范围：覆盖临床紧急低氧（40%）到正常（100%）场景，满足 ICU 重症监护与家庭健康监测需求；

• 精度分级：70%~100% 时 ±2%（临床诊断级），40%~70% 时 ±4%（低氧预警级），符合 YY/T 0784-2010 行业标准。

STM32 方案实现

• 硬件基础：12 位 ADC（ADS1258）采集光信号，分辨率达 0.08mV（3.3V 参考电压）；双波长 LED（660nm 红光 / 940nm 近红外）分时驱动，减少环境光干扰。

• 软件算法：采用 Beer-Lambert 定律结合校准系数查表法，如前文中SPO2_Calculate函数通过 AC/DC 比值计算 SpO2；动态温度补偿：内置温度传感器修正光吸收系数随温度的漂移。

2. 脉率测量（30~250bpm，精度 ±1bpm）

技术指标解析

• 范围覆盖：从新生儿静息心率（30bpm）到运动极限心率（250bpm）；

• 精度控制：±1bpm 满足临床心率变异性（HRV）分析需求。

STM32 方案实现

• 信号处理：带通滤波提取脉搏波频率（0.5~5Hz），抑制运动伪影；峰值检测算法（如前文中PulseRate_Detect函数）结合滑动平均滤波（8 点缓冲），消除异常脉冲。

• 抗干扰设计：采用自适应阈值跟踪脉搏波幅度变化，避免弱信号漏检；周期校验机制：若相邻脉率差 > 20%，则丢弃该次测量结果。

3. 弱信号处理（弱灌注强度≤0.3%）

技术指标解析

• 灌注指数（PI）：≤0.3% 表示极弱血流（如失血性休克、低温症），传统设备易测量失败。

STM32 方案实现

• 硬件增强：高增益仪表运放（ISL28470）放大微弱光电流信号，增益可达 1000 倍；低噪声电源（ISL9001）抑制纹波对前端信号的干扰。

• 软件优化：自适应增益控制：当 PI<1% 时，自动提高 LED 驱动电流（如前文中NLAS4053模拟开关调节）；小波变换去噪：分解信号至不同频段，保留脉搏波特征分量。

4. 彩色 OLED 同屏显示

功能架构

• 显示内容：数值区：SpO2（大字体突出）、脉率、PI 值；波形区：实时脉搏波（128 点趋势图）；状态区：电池电量、信号质量图标。

• STM32 驱动方案：SPI 接口控制 OLED 驱动 IC（如 SSD1351），刷新率≥25fps；动态刷新率调节：弱信号时提高刷新率至 50fps，增强波形稳定性。

5. 无信号自动关机

功耗管理逻辑

• 检测机制：连续 20 秒检测到 PI<0.2% 且 SpO2 值固定不变（如 40%），判定为无有效信号；硬件 watchdog（X5043）监控 MCU 运行状态，防止程序卡死导致功耗异常。

• 低功耗实现：STM32 进入 STANDBY 模式，功耗 < 10μA；切断 LED、OLED 等外设电源，仅保留 RTC（ISL12022M）计时。

6. 历史数据存储与管理

存储架构

• 硬件配置：串行 Flash（M25P16，16Mbit）可保存≥2000 条记录（每条含 SpO2、脉率、时间戳）；I2C 接口 EEPROM（M24C64）存储校准参数与用户配置。

• 软件功能：周期性存储：每 5 分钟自动保存一次数据，支持手动触发保存；数据管理：支持按日期查询、删除指定记录，FIFO 循环覆盖旧数据。

7. 屏幕旋转功能

实现方案

• 硬件：三轴加速度传感器（LIS33DE）检测设备姿态，分辨率达 ±2g；

• 程序示例：基于 STM32F103 的血氧仪数据处理

• 以下是核心功能的 C 语言实现（使用 HAL 库）：

/* 头文件与宏定义 */#include "stm32f10x_hal.h"#include "math.h"#define SAMPLE_RATE 1000        // 采样率1kHz#define BUFFER_DEPTH 256        // 数据缓冲区深度#define RED_LED_PORT GPIOA      // 红光LED端口#define RED_LED_PIN GPIO_PIN_0  #define IR_LED_PORT GPIOA       // 近红外LED端口#define IR_LED_PIN GPIO_PIN_1#define ADC_CHANNEL_RED 0       // 红光ADC通道#define ADC_CHANNEL_IR 1        // 近红外ADC通道/* 全局变量 */ADC_HandleTypeDef hadc;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc;uint16_t adcBuffer[2][BUFFER_DEPTH];  // ADC数据缓冲区 {红光, 近红外}float redSignal[BUFFER_DEPTH];        // 红光信号float irSignal[BUFFER_DEPTH];         // 近红外信号uint8_t spo2Value = 97;               // 血氧饱和度uint16_t pulseRate = 72;              // 脉率（bpm）uint8_t perfusionIndex = 0;           // 灌注指数/* 函数声明 */void SystemInit(void);void MX_GPIO_Init(void);void MX_ADC_Init(void);void MX_DMA_Init(void);void SPO2_Calculate(void);void PulseRate_Detect(void);void OLED_Display(void);void PowerManagement_Check(void);/* 主函数 */int main(void){  /* 系统初始化 */
  HAL_Init();
  SystemInit();  
  /* 外设初始化 */
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC_Init();
  MX_DMA_Init();  
  /* 启动ADC_DMA传输 */
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t*)adcBuffer, 2 * BUFFER_DEPTH);  
  /* 主循环 */
  while (1)
  {    /* 血氧与脉率计算 */
    SPO2_Calculate();
    PulseRate_Detect();    
    /* 显示数据 */
    OLED_Display();    
    /* 低功耗检查 */
    PowerManagement_Check();    
    /* 延时处理 */
    HAL_Delay(10);
  }
}/* ADC初始化 */void MX_ADC_Init(void){
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  hadc.Instance = ADC1;
  hadc.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
  hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
  hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DIRECTION_FORWARD;
  hadc.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SEQ_CONV;
  hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
  hadc.Init.NbrOfConversion = 2;  // 红光+近红外双通道
  HAL_ADC_Init(&hadc);  /* 配置红光通道 */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);  
  /* 配置近红外通道 */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);
}/* 血氧饱和度计算 */void SPO2_Calculate(void){  static float redAC[BUFFER_DEPTH], redDC[BUFFER_DEPTH];  static float irAC[BUFFER_DEPTH], irDC[BUFFER_DEPTH];  float ratio, spo2;  
  /* 1. 转换ADC值为电压信号（假设参考电压3.3V） */
  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {
    redSignal[i] = (float)adcBuffer[0][i] * 3.3f / 4096.0f;
    irSignal[i] = (float)adcBuffer[1][i] * 3.3f / 4096.0f;
  }  
  /* 2. 分离AC和DC分量（简化版，实际需滤波） */
  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {
    redDC[i] = redSignal[i] * 0.95f + redDC[i] * 0.05f;  // 一阶低通滤波求DC
    redAC[i] = redSignal[i] - redDC[i];                  // AC分量
    
    irDC[i] = irSignal[i] * 0.95f + irDC[i] * 0.05f;
    irAC[i] = irSignal[i] - irDC[i];
  }  
  /* 3. 计算AC/DC比值 */
  float sumRedAC = 0, sumRedDC = 0;  float sumIrAC = 0, sumIrDC = 0;  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {
    sumRedAC += fabs(redAC[i]);
    sumRedDC += fabs(redDC[i]);
    sumIrAC += fabs(irAC[i]);
    sumIrDC += fabs(irDC[i]);
  }  
  float ratioRed = sumRedAC / sumRedDC;  float ratioIr = sumIrAC / sumIrDC;  
  /* 4. 计算灌注指数（PI） */
  perfusionIndex = (uint8_t)((ratioRed + ratioIr) * 10);  
  /* 5. 根据Beer-Lambert定律计算SpO2（简化公式） */
  ratio = ratioRed / ratioIr;  if (ratio > 1.0f) ratio = 1.0f / ratio;  // 范围限定
  spo2 = 94.0f - 25.0f * ratio;           // 经验公式，实际需校准
  
  /* 6. 结果校准与限幅 */
  if (spo2 > 100) spo2 = 100;  if (spo2 < 40) spo2 = 40;
  spo2Value = (uint8_t)spo2;
}/* 脉率检测 */void PulseRate_Detect(void){  static uint32_t lastPeakTime = 0;  static float peakBuffer[8] = {0};  static uint8_t peakIndex = 0;  uint32_t currentTime = HAL_GetTick();  float maxAmplitude = 0;  uint16_t peakPosition = 0;  
  /* 1. 寻找脉搏波峰值（简化版，实际需带通滤波） */
  for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_DEPTH; i++) {    if (redSignal[i] > maxAmplitude) {
      maxAmplitude = redSignal[i];
      peakPosition = i;
    }
  }  
  /* 2. 计算脉搏周期（需排除异常峰值） */
  if (maxAmplitude > 0.1f && currentTime - lastPeakTime > 300 && currentTime - lastPeakTime < 2000) {    uint32_t periodMs = currentTime - lastPeakTime;
    pulseRate = (uint16_t)(60000.0f / periodMs);  // ms转bpm
    lastPeakTime = currentTime;    
    /* 3. 滑动平均滤波，平滑脉率显示 */
    peakBuffer[peakIndex] = pulseRate;
    peakIndex = (peakIndex + 1) % 8;    
    float avgPulse = 0;    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
      avgPulse += peakBuffer[i];
    }
    pulseRate = (uint16_t)(avgPulse / 8);
  }
}/* OLED显示函数 */void OLED_Display(void){  /* 实际项目中需调用OLED驱动库 */
  char displayBuf[32];  
  /* 显示血氧饱和度 */
  sprintf(displayBuf, "SpO2: %d%%", spo2Value);
  OLED_DrawString(0, 0, displayBuf);  
  /* 显示脉率 */
  sprintf(displayBuf, "PR: %dbpm", pulseRate);
  OLED_DrawString(0, 20, displayBuf);  
  /* 显示灌注指数 */
  sprintf(displayBuf, "PI: %d", perfusionIndex);
  OLED_DrawString(0, 40, displayBuf);  
  /* 绘制简化脉搏波形 */
  for (uint16_t i = 0; i < 128; i++) {    uint16_t point = i * BUFFER_DEPTH / 128;    uint8_t y = (uint8_t)(redSignal[point] * 30 + 50);
    OLED_DrawPoint(i, y);
  }
}/* 低功耗管理 */void PowerManagement_Check(void){  static uint32_t noSignalTime = 0;  static uint8_t signalStatus = 0;  
  /* 1. 检测信号有效性（通过灌注指数判断） */
  if (perfusionIndex > 1) {
    signalStatus = 1;
    noSignalTime = HAL_GetTick();
  } else {    if (signalStatus) {
      signalStatus = 0;
      noSignalTime = HAL_GetTick();
    }
  }  
  /* 2. 无信号超过20秒则关机 */
  if (!signalStatus && HAL_GetTick() - noSignalTime > 20000) {    /* 关闭外设，进入待机模式 */
    HAL_ADC_Stop_DMA(&hadc);
    HAL_GPIO_WritePin(RED_LED_PORT, RED_LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(IR_LED_PORT, IR_LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    OLED_PowerOff();    
    /* 进入低功耗模式 */
    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
  }
}

• 应用场景：支持手持、桌面等多场景使用，自动适配显示方向。

功能协同与临床价值示意图

典型应用案例

• 秦皇岛康泰医学：采用 STM32F101C6T6 方案，结合 LIS33DE 与 M25P80 Flash，实现 24 小时连续监测，数据可通过 USB 导出至医院 HIS 系统；

• 北京超思电子：在远程血氧监护仪中加入 4G 通信模块，当 SpO2<90% 且持续 5 分钟时，自动向家属手机推送报警信息，结合历史数据存储功能，支持医生远程调阅趋势图。

技术对比表（STM32 方案 vs 传统方案）