指夹式血氧仪开发套件 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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专业版 指夹式血氧仪开发套件

简介:本套件为满足指夹式血氧仪的开发和测试而设计,主要由基于CW32L031C8T6的核心板以及集成了各类外部模块的扩展板等两个部分组成。

开源协议: GPL 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2023-08-28 21:29:16
更新时间: 2023-08-28 22:16:17
描述

(一)设计背景

        指夹式血氧仪是一种小型设备,采用光谱法技术,通过测量人体血液中不同颜色的光通过手指后的衰减值来计算血氧饱和度。这种设备不需要进行静脉穿刺,只需要将手指插入到设备中,大约10至30秒就可以得到测量结果。因此,它是一种便捷、安全的监测血氧饱和度的方法。

        血氧仪的原理是基于这样一个事实,即当一定波长的光通过人体手指时,血液中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白会对这些光产生不同的吸收效果。血氧仪会发射出特定波长的光,然后测量这些光通过血液后被吸收的程度,通过计算就可以得出血氧饱和度。

        正常人的血氧饱和度应该在94%至100%之间。如果血氧长时间低于90%,就说明存在严重的缺氧情况,需要尽快就医。血氧仪是一种方便易用的设备,尤其适合那些需要长时间监测血氧饱和度的人群,比如患有某些慢性疾病的人。然而,如果血氧长时间处于80%以下,则应尽快就医,因为这可能意味着严重的健康问题。

 

(二)硬件设计

        为方便指夹式血氧仪的开发和测试,设计了基于CW32L031C8T6的核心板和集成了各类外部模块的扩展板。采用主控与外部电路独立设计的目的,旨在实现多型号主控支持和多类型扩展板兼容,以方便广大爱好者的学习和开发工作。

1.  核心板

1.1 设计思路

        核心板包括供电电路、MCU主控电路及烧录器电路三部分组成。

1.2 供电电路

        供电部分通过排针提供USB供电和电池供电两种供电方式。USB接口采用16Pin、Type-C接口,在提供外部供电的同时,通过CH340芯片实现USB转串口通信功能,并可通过排针自由选择主控芯片串口引脚。板载一颗CR1220纽扣电池,通过MT3608芯片组成的SEPIC电路提供5V输出。后端接AMS1117芯片组成LDO电路提供3.3V输出。

(1)原理图设计

l  USB接口电路:

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l  USB过压、过流保护电路:

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l  供电方式选择电路:

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l  电池供电Sepic升压5V输出电路:

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l  5V转3.3V输出LDO电路:

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l  电源输出引脚选择电路:提供6路5V、6路3.3V及12路GND引脚

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l  电源指示电路:

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l  USB转串口电路:

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(2)PCB设计

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1.3 MCU电路

        MCU电路采用CW32L031C8T6作为主控芯片,通过排针将33组IO接口、2针Boot接口、4针SWD烧录接口全部引出,并提供复位按钮。

(1)原理图设计:

l  MCU主控电路:

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l  滤波电路:

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l  复位电路:

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l  外部晶振电路:

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l  BOOT引脚选择电路:

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l  SWD烧录接口电路:

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(2)PCB设计:

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1.4 烧录器电路

        烧录器电路采用STM32F103CBT6作为主控芯片,实现了ST-LINK V2.1烧录器功能。由于该部分电路不属于核心板功能,具体原理图请参考网络公开资料。

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2.  扩展板

2.1 设计思路

        扩展板主要围绕血氧仪开发设计需求,拓展相关外部设备电路,包括发射电路、接收电路、按键电路、LED电路、蜂鸣器电路、TFT显示屏电路、FLASH电路、EEPROM电路及核心板接口电路等,支持CW32L031及CW32L083等低功耗系列核心板接入。

2.2 发射电路

        发射电路采用“RS2105+RS622”设计方案。由RS2105电子开关芯片构成双路开关电路,用于控制发射时序;由RS622芯片所包含的两路运算放大器搭配N沟道MOS管形成恒流源电路,通过PWM信号控制电流大小,以实现控制发射信号强弱的目的。采用“660nm红光+900nm红外光”的双波长发射管,内部反向并联连接,通过上述H桥电路控制发射时序和发射功率。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.3 接收电路

        接收电路采用RS622双路运放芯片作为核心。前级与200KΩ电阻及电容构成跨阻放大电路,采集并放大“直流+交流”混合信号;后级通过负反馈电阻构成信号放大电路,放大交流信号;前后级之间通过电容耦合,并与电阻构成高通滤波器,有效滤除直流信号。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.4 按键电路

        按键电路设计4组独立按键,每组按键通过并联电容构成硬件消抖电路,通过电阻分别接入MCU的四个IO口,按键按下为低电平(低电平有效)。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.5 LED电路

        LED电路设计4组独立LED灯,通过电阻分别接入MCU的四个IO口,设计为IO口输出高电平点亮(高电平有效)。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.6 蜂鸣器电路

        蜂鸣器电路采用2KHz无源蜂鸣器作为核心元件,以N沟道MOS管作为开关,通过输出一定频率的PWM信号驱动蜂鸣器发声。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.7 TFT显示屏电路

        TFT显示屏电路用于驱动0.96寸全彩LCD显示屏,同时设计了8P抽屉式下接FPC接口和8P排针接口,可分别用于连接带软排线接口的显示屏和带排针的显示屏模块。同时以PNP三极管作为开关,通过MCU输出一定占空比的PWM信号实现屏幕背光控制。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.8 FLASH电路

        FLASH电路主要设计了一组SPI接口,用于连接W25Q128JVSIQ器件。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.9 EEPROM电路

        EEPROM电路主要设计了一组IIC接口,用于连接24C02/TR器件。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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2.10     核心板接口电路

        核心板接口电路主要用于支持CW32L031及CW32L083等低功耗系列核心板接入。由于上述芯片引脚数量不同,在设计时以最大引脚数量作为设计标准,因此在插入CW32L031等引脚数量较少的MCU核心板时,需要注意避开1、2、31、32四组引脚,并在上述四组引脚中的GND引脚上通过杜邦线连接到核心板的GND,以实现扩展板各类外部设备的GND连接。

(1)原理图设计

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(2)PCB设计

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(三)实物展示

(1)扩展板与核心板分离展示

(2)扩展板与核心板组合展示

设计图
原理图
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PCB
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