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基于高精度Sigma-Delta ADC的血氧仪的研究与实现

作　者: 江浩
导　师: 蔡光卉；王威廉
学　校: 云南大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 血氧饱和度 ADuC7060 Sigma-Delta ADC
分类号: TN792;TP216
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

氧气是维持生命的重要物质之一,血氧饱和度反映了血液的含氧量,是临床上重要的生理参数。血氧仪通过采集、分析光电容积脉搏波从而监测血氧饱和度,为医生及时了解病人血液带氧的能力提供重要的依据。光电容积脉搏波中包含着直流信号和交流信号,两种信号均作为计算血氧饱和度的依据,而交流信号与直流信号的比值因人而异,一般为0.5%-40%。目前市面上医用的血氧仪都作为一个模块集成在监护仪中,价格昂贵,而便携式的血氧仪测量使用的模数转换器(ADC)一般为10-12位,受分辨率的限制,其测量精度往往遭遇瓶颈,尤其是在弱灌注时,即交流信号与直流信号的比值低于0.5%时,往往无法给医生提供一个准确的血氧饱和度参考值。随着微电子技术的发展,ADC的精度和集成度越来越高,其中Sigma-DeltaADC以其卓越的信噪比和高精度获得了广泛地应用,基于此,本文提出将24位高精度Sigma-Delta ADC引入到血氧仪的设计中,成功的开发了一款高精度的便携式血氧仪。该血氧仪采用Analog Device公司低功耗基于ARM7TDMI内核的高性能混合信号处理器ADuC7060作为核心控制单元,该处理器具有强大的运算功能,并且集成了24位Sigma-Delta ADC,在该血氧仪的模拟前端为其设计了信号分离电路,该电路与传统分离电路相比降低了由于信号分离对信号本身产生的影响,此外,对信号的滤波等处理均采用数字的方式,通过编程在处理器中实现,大大降低了模拟电路的复杂度,可连续无创地检测血氧饱和度。经标定、测试证明该血氧仪与同类产品相比有较高的准确度。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-13
  1.1 血氧饱和度的研究背景和意义  9
  1.2 血氧饱和度测量的研究概况  9-10
  1.3 本文的主要工作及创新点  10-11
  1.4 本文主要结构  11-13
第二章无创血氧饱和度检测仪的测量原理与方法  13-19
  2.1 血氧饱和度的定义  13
  2.2 比尔-朗伯定律  13-14
  2.3 血氧饱和度测量原理  14-19
第三章血氧饱和度检测仪的系统设计  19-29
  3.1 光电容积脉搏波信号的波形特征分析  19-20
  3.2 系统设计方案  20-29
    3.2.1 核心控制单元  20-23
    3.2.2 Sigma-Delta模数转换器(ADC)介绍  23-27
    3.2.3 系统设计框图  27-29
第四章血氧饱和度检测仪的硬件设计  29-43
  4.1 传感器部分  29-31
    4.1.1 测量光波长的选取  29-30
    4.1.2 测量部位及血氧探头  30-31
  4.2 电源部分  31-32
  4.3 模拟部分  32-38
    4.3.1 血氧探头驱动电路  33-34
    4.3.2 跨阻放大电路  34-35
    4.3.3 信号分离电路  35-37
    4.3.4 钳位电路  37-38
  4.4 数字部分  38-41
    4.4.1 系统功能模块电路  38-39
    4.4.2 UART接口电路  39-40
    4.4.3 JTAG接口电路  40-41
    4.4.4 LCD显示电路  41
  4.5 电路板布线的考虑  41-43
第五章血氧饱和度检测仪的软件设计  43-57
  5.1 开发工具简介  43-44
  5.2 系统软件设计  44-57
    5.2.1 主控制程序  45-46
    5.2.2 交直流分离子程序  46-47
    5.2.3 滤波子程序  47-53
      5.2.3.1 数字滤波器类型的选择  47-49
      5.2.3.2 数字滤波器的设计和实现  49-53
    5.2.4 信号特征提取子程序  53-54
    5.2.5 血氧饱和度计算子程序  54-55
    5.2.6 心率计算子程序  55
    5.2.7 LCD显示子程序  55-56
    5.2.8 串口发送子程序  56-57
第六章系统标定与测试  57-67
  6.1 系统的标定  57-58
  6.2 系统测试及数据  58-64
    6.2.1 测试工具  58
    6.2.2 测试条件  58-59
    6.2.3 测试方法  59
    6.2.4 信号采集及滤波效果测试  59-60
    6.2.5 血氧饱和度计算的测试结果  60-62
    6.2.6 心率计算测试结果  62-64
  6.3 测试结论  64
  6.4 讨论  64-67
    6.4.1 误差原因分析  64-66
    6.4.2 环境光、暗电流的影响  66
    6.4.3 运动伪差的处理  66-67
第七章总结与展望  67-68
  7.1 论文总结  67
  7.2 未来展望  67-68
附件  68-70
参考文献  70-74
致谢  74

基于高精度Sigma-Delta ADC的血氧仪的研究与实现

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