脈搏血氧計為非侵入式，只需夾在手指上，通過測量含氧或缺氧血液對紅外線和紅光的吸收情況的變化來監測人的心率和血氧飽和度 (SpO2)。正常情況下，健康人的血氧飽和度在 95% 到 100% 之間。使用類似圖 1 所示的脈搏血氧計測量血氧飽和度可以幫助患者：
• 瞭解藥物的效用
• 確定他們能否提高活動水準。
• 確定呼吸機是否必要或正在運行。
• 監測睡眠呼吸暫停症狀發作情況。
有些人患有心力衰竭或哮喘之類影響血氧水準的疾病，也可以使用脈搏血氧計。
圖 1：夾指脈搏血氧計
通常，光電二極體測量通過手指的紅外線和紅光。光電二極體感測器發出的信號包含一個大的直流分量和一個小的交流分量（交流大約是直流的 0.4% 到 10%），如圖 2 所示。大的直流分量是由於身體組織中含氧量較低的部位的吸收作用和散射光導致的。小的交流分量由動脈等含氧部位的光調製以及 50/60Hz 下的環境光雜訊組成。交流和直流分量對於 SpO2 的計算都是必要的。為達到精度要求，需要設計一個信號調節電路來放大交流分量，增加解析度，抵消直流分量和環境光。但是，信號水準因患者的健康狀況以及手指的位置和厚度而異。為了避免信號飽和，需要根據信號的範圍動態調整放大器的增益。
圖 2：具有大直流分量和小交流分量的光體積描記信號
TI 有一個基於 MSP430FR2355 微控制器 (MCU) 及其內置智慧類比組合 (SAC) 的單晶片脈搏血氧計解決方案。作為 MSP430FR2355 的一種特色外設，SAC 可使用軟體配置，讓您能夠調節輸入或輸出路徑中的類比信號。 SAC 模式如圖 3 所示。
圖 3：使用 SAC 模式的系統方框圖
MSP430FR2355 作為系統中的主機 MCU，可提供真正的單晶片解決方案，有效消除了對外部放大器和數模轉換器 (DAC) 的需求並降低了系統的複雜性和成本。另外，您可以將每個 SAC 模組配置為運算放大器、可程式設計增益放大器或 12 位 DAC。使用 MSP430FR2355 MCU 的脈搏血氧計的系統方框圖如圖 4 所示。
圖 4：脈搏血氧計系統方框圖示例
圖 4 中的脈搏血氧計解決方案示例展示了四個 SAC 模組：
• 兩個 SAC 模組是 12 位元解析度的 DAC，用於驅動電流可調且穩定的紅外和紅色 LED。
• 一個 SAC 模組是跨阻放大器，使用 50pA 的輸入偏置電流測量光電二極體電流。
• 一個 SAC 模組是 PGA，與作為直流補償和交流放大器的 DAC 配合可實現 32 倍增益。
除了內置的智慧類比組合，低至 42nA 的待機電流、小封裝、記憶體配置和通信介面都非常適合低成本的脈搏血氧計設計。
圖 5 列出了詳細的 MSP430FR2355 MCU 片上類比和數位特性。
圖5：MSP430FR2355 片上特性
結語
MSP430FR2355 是一個超低功耗、低成本的 16 位元精簡指令集電腦 MCU，並有許多類比信號鏈外設。四個智慧類比組合有效消除了對外部放大器和數模轉換器 (DAC) 的需求，從而降低了系統的複雜性和成本。低功耗的 VQFN32（4mm x 4mm 32 引腳）封裝非常適合脈搏血氧計這樣的可擕式設備。MSP430 MCU 以及線上軟體 (https://www.ti.com.cn/tool/cn/MSPWARE) 和硬體資源可説明您快速設計脈搏血氧計。
其他資源
• 閱讀應用報告“MSP430 的類比組合可實現真正的單晶片脈搏血氧計設計”和“如何使用 MSP430 MCU 中的智慧類比組合”。
• 閱讀技術文章“如何快速設計紅外溫度計”。
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德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力於設計、製造、測試和銷售類比和嵌入式處理晶片，用於工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力於通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創造一個更美好的世界。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。 欲瞭解更多資訊，請訪問公司網站www.ti.com.cn。
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