基于ARM的脉搏血氧仪的设计和实现
摘 要：新年来临之际，一场突如其来的新型冠状病毒（COVID-19）导致的肺炎让2020注定成为了每一位国人一生难忘的记忆。新型冠状病毒严重患者会引起肺炎从而导致肺功能受损严重，进一步会造成血氧饱和度的不足。如果患者是肺炎轻型，一般血氧饱和度是正常的。重型患者或危重型患者的血氧饱和度会低于正常值，当指氧饱和度下降一定数值时，就需要及时上呼吸机加氧，避免出现呼吸衰竭等一系列问题，因此研制一款能够快速检测血氧的仪器是非常必要的。脉搏血氧仪拥有智能化、小型化、便捷化的特点，同时价格方面也更符合大众的购买要求。
本文是基于医院和个人的需求，设计一款可以快速检测患者血氧饱和度的仪器，采用的主要技术是无创血氧饱和度检测方式，用到了S3C2440A芯片，LCD显示屏、等相关驱动器设备，最终可以实现连续检测人体动脉的血氧值，因为设计的简约化虽然在某些功能上有不足，但是拥有一定的便捷性和可靠性。
关键词：血氧饱和度；仪器；S3C2440A
Design and Realization of Pulse Oximeter Based on ARM
Qi Jia nan
（College of Information Engineering，Longdong University）
Abstract: With the coming of the New Year,a sudden a new coronavirous(convid-19) caused pneumonia,2020 is destined to be a lifetime memory of every Chinese.Severe cases of the novel coronavirous can cause pneumonia which can lead to severe impairment of lung function, further resulting in insufficient oxygen saturation in the blood. If the patient has mild pneumonia, general oxygen saturation is normal.The blood oxygen saturation of severe patients or critically ill patients will be lower than the normal value. When the oxygen saturation drops by a certain value, it is necessary to timely add oxygen on the ventilator to aviod respiratory failure and a series of problems,so it is very necessary to develop an instrument that can quickly detect blood oxygenn. Pulse oximeter has the characteristics of intelligence,miniaturization and convenience, and the price is more in line with the purchase requirements of the public.
The article is based on hospital and personal needs, design a instruments can quickly detect patients blood oxygen saturation, the main technology is noninvasive oxygen saturation detecting way,use the S3C2440A chip,LCD display, drive equipment,related to eventually can realize the continuous human values of arterial blood oxygen, because design simplification, although had deficits in certain features,but have some convenience and reliability.
Key words:Blood oxygen saturation;Instruments;S3c2440a
1.绪论
ARM系列设计的脉搏血氧仪相比于传统的51单片机设计有诸多的优点，尤其是在低功耗、体积小、集成度高等方面，是单片机不能够代替的。同时随着集成化的不断发展，我们可以将所需要的功能都集成到一个芯片上，在能保证功能完备的条件下使整个系统设计更加趋于小型化。
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
2020年初，一场突如其来的新型冠状病毒肺炎病情，席卷中国大江南北，牵动着亿万国人的心。瑞士时间2020年1月30日晚，世界卫生组织总干事谭德塞在日内瓦举行新闻发布会，说明新型冠状病毒感染的肺炎疫情已构成国际关注的突发公共卫生事件[[[] 匿名.新型冠状病毒肺炎公众认知与信息传播调研告.https//m2.people.cn/r/MV8wXzEzNzl2MTA5XzMzNTFfMTU4MjcwNzU5NQ==?source=da.2020-02-26.]]。2002年我国广东爆发了SARS俗称非典，直到2003年中期左右才被逐渐消灭。新型肺炎和非典都是因感染冠状病毒而造成的严重急性呼吸道感染，同属冠状病毒，但仍然有所区别。新型肺炎从感染到严重大致可分为：
1.单纯性感染；这种患者会出现发热、咳嗽、鼻塞、头痛等不适情况。
2.轻症肺炎；这种患者有肺炎表现，呼吸也伴随着困难和急促的现象。
3.重症肺炎；这种患者会出现发热或者疑似呼吸道感染的状况，呼吸频率每分钟大于30次，会发生严重的呼吸衰竭，患者的SpO2是小于90%的。重症肺炎的患者会出现的意识不清、嗜睡甚至惊厥。
4.急性呼吸窘迫综合征（ARDS）；这种患者的呼吸道已经出现了严重恶化现象，通过做胸部影像发现胸片表现双侧肺浸润，可与肺水肿共同存在，后期可出现双肺结节影或网状影的改变[[[] 蒋文芳.CT对肺内、外源性急性呼吸窘迫综合征兔早期诊断价值的探讨[D].江苏大学硕士学位论文.2010: 7-8.]]。
5.脓毒症；这种患者会导致相关器官功能障碍，出现低氧血症等一系列问题。
6.脓毒症休克。
严重急性呼吸道感染（SARI)患者会配备脉搏血氧仪，提供相应的供氧系统以及一次性使用的氧气输送接口。脉搏血氧仪可以检测血氧饱和度值，而这个指标是肺炎监测的重要指标之一，通过数值可以病人是否缺氧，从而进一步对病人进行救治。正常人体的动脉血氧饱和度大概在95%～100%之间，90%以下就属于严重缺氧，需要尽快救治。随着时代的发展智能化、小型化、便捷化越来越被人们所推崇，因此对于脉搏血氧仪的设计要求也越来越高，不但要求测量结果精准、高效，现在对于它的便捷和小巧也提了更高的要求。
1.1.2研究意义
动脉脉搏是一种非常重要的生理现象，可以有效反映心脏和心血管系统的一些信息，临床上通过获取人体脉搏的特征信号，对一些疾病进行诊断和治疗，血氧饱和度是基于脉搏波的一个重要参数之一，是估计人体循环系统和呼吸系统的重要指标之一[[[] 徐盼盼.基于智能手机的脉搏血氧仪研制[D].中国计量学院硕士学位论文.2015：1-2.]]。因此可以运用在许多方面，例如，当病人在急救和转运过程中、高空飞行和作业、消防抢险时都需要检测血氧；老人一般都有呼吸方面的疾病，而监测他们的血氧指标可以更好的了解呼吸以及自己的免疫系统是否正常。医护人员也将血氧的监测作为必测项目。脉搏血氧仪具有现实的使用的价值，人们可以在日常生活中监测自己的血氧，及时知道自己的身体状况，并采取必要的保护措施，可以起到提前预防的效果，同时脉搏血氧仪可以通过检测动脉的脉动，从而进一步计算出心率，因此可以大量用于医疗领域，提前检测病人的心率，诊断相关病情。
1.2脉搏血氧仪国内外研究现状
目前的血氧脉搏仪大都采用有线探头测量后将数据经过串口连接到显示器显示,清华大学嵌入式实验室开发了远程多医疗信息监护系统,实现了便携式、动态跟踪病人生理参数[[[] 黄辉.脉搏血氧仪检测仪软件设计优化[D].清华大学深圳研究生院硕士论文.2013: 1-1.]]。
国内有很多公司研制血氧仪，著名的品牌有鱼跃、康泰、力康、超思等。鱼跃是在1998年成立的，从创立到逐渐完善再到最后成为中国品牌，一直以来都是以自主创新为核心，加大研发投资，最终成为中国的驰名商标。康泰在秦皇岛市，是在1992年成立的，它专门搞电子医疗仪器的研制，同时能自己批量生产并自主销售，产品覆盖面广，有心电类、血氧类、超声类、监护类等几十种。力康的总部设立在香港，在全国拥有众多生产研发基地，它将先进的医疗仪器、家用的相关器械以及现代化的软件研发、制造、售后服务为一体，打造成本行业的主力军，它的产品已经遍布多个国家和地区。超思成立于1993年，通过二十年的发展已然成为医疗行业的领先企业，它开创的是一种简单化、智能化的医疗方式。相比于国内医疗仪器的发展，国外也有这方面的研制。近年来美国设计出指环式血氧仪，该设备体积小，可进行全天24小时监护，做到真正的实时监护，并且在抗运动干扰方面也做出一定的成绩[[[] 常衍春.数字式脉搏血氧仪设计[D].东北大学秦皇岛分校学士学位论文.2010：10-10.]]。德国、英国等国家也取到了巨大的发展。
近年来，由于国内便携医疗电子产品的迅速发展，导致了越来越多的便携式医疗设备的出现，而脉搏血氧仪就是其中的一种。脉搏血氧仪在国内外已经使用的很普遍了，而且运用的很成熟了，脉搏血氧仪主要是基于无创血氧饱和度检测的一种技术。无创脉搏血氧饱和度的监测技术的研究早在20世纪初期就已经开始了，在1929年前，美国生理学家Glen Millian开始研究血红蛋白血氧反应，并用“血氧计”一词来描述血氧饱和度仪，称之为“在需要穿透血管的情况下，连续测量人体内动脉血氧饱和度的一种光电测量仪器”[[[] 于巍,古庆恩,黄世安.脉搏血氧饱和度监测技术的研究进展[J].中国医学装备,2008,5(4) : 56-58.]]。
它可以连续的，不间断的监测人体动脉血氧饱和度的新型医学仪器。血氧仪的分类也有很多，有指甲式血氧仪、掌式血氧仪、腕式血氧仪、健康手表式血氧仪。国外的一些知名公司如Nellor、Masimo、Philips和CSI等都已经研究出比较成熟的脉搏血氧仪产品，并成功应用于临床，国内的Mindray公司基于时频变换技术开发出了新的数字血氧模块，可有效减少运动噪声，增强了测量信号的强度，比较准确测量出精确到0.075%的脉搏信号，缩短了与国外公司之间的差距[[[] 徐盼盼.基于智能手机的脉搏血氧仪研制[D].中国计量学院硕士学位论文.2015：1-2.]]。
1.3论文主要内容
在以S3C2440A处理器为主控器的基础下展开研究和设计，结合无创血氧饱和度检测技术，最终设计和实现出一款既能测脉搏也能测血氧。本篇论文的主要研究内容包括:
1.简述本论文的研究背景及意义，并对国内外有关脉搏血氧仪的研究现状和发展趋势进行简单阐述。
2.简述有关脉搏血氧仪的相关内容和具体的测量原理以及了解结构组成。
3.简述系统的整套设计方案，包括硬件设计和软件设计。
目 录
1. 绪论 2
1.1研究背景及意义 2
1.1.1研究背景 2
1.1.2研究意义 3
1.2脉搏血氧仪国内外研究现状 3
1.3论文主要内容 4
2. 脉搏血氧仪总体方案设计 4
2.1 脉搏血氧仪分析 5
2.1.1 脉搏血氧仪的测量原理 5
2.1.2 脉搏血氧仪的结构 7
2.2 硬件体系结构设计 8
2.2.1 ARM9处理器硬件开发平台 9
2.2.2 硬件平台的基本结构 9
2.2.3 硬件开发平台的I/O接口 11
2.2.4 S3C2440A微处理器简介 11
3 脉搏血氧仪硬件详细设计 13
3.1探头电路 13
3.2 LED驱动电路 13
3.3 放大与采样电路 14
2.3 软件体系结构设计 14
2.3.1 软件流程图的设计 14
4 脉搏血氧仪软件详细设计 15
4.1 PWM,ADC相关模块 15
4.2 运算模块 17
4.2.1 红光运算和处理模块 17
4.2.2 红外光运算和处理模块 20
4.3 均值滤波模块 22
5 仿真与实现 26
6 总结 26
参考文献
[] 蒋文芳.CT对肺内、外源性急性呼吸窘迫综合征兔早期诊断价值的探讨[D].江苏大学硕士学位论文.2010: 7-8.
[] 徐盼盼.基于智能手机的脉搏血氧仪研制[D].中国计量学院硕士学位论文.2015：1-2.
[] 黄辉.脉搏血氧仪检测仪软件设计优化[D].清华大学深圳研究生院硕士论文.2013: 1-1.
[] 常衍春.数字式脉搏血氧仪设计[D].东北大学秦皇岛分校学士学位论文.2010：10-10.
[] 于巍,古庆恩,黄世安.脉搏血氧饱和度监测技术的研究进展[J].中国医学装备,2008,5(4) : 56-58.
[] 徐盼盼.基于智能手机的脉搏血氧仪研制[D].中国计量学院硕士学位论文.2015：1-2.
[] 孙海全.脉搏血氧饱和度监测系统的研究[D].燕山大学硕士学位论文.2009：1-1.
[] 刘波文,黎胜容.ARM嵌入式项目开发三位一体实战精讲[M].北京：北京航天航空大学出版社,2011:573-584.
[] 刘娜.在院前急救工作中应用脉搏血氧仪作用及重要性[J]中国医疗器械信息,2016 (14): 22-23.
[] 徐雅洁.基于DSP脉搏血氧测量平台的设计与实现[D].天津大学精密仪器与光电子工程学院硕士学位论文.2009：7-13.
[] 杨峰,王磊.嵌入式系统原理及技术[M]. 北京：科学出版社,2013: 33-33.
[] 刘波文,黎胜容.ARM嵌入式项目开发三位一体实战精讲[M].北京：北京航天航空大学出版社,2011: 68-71.
[] 杨峰,王磊.嵌入式系统原理及技术[M]. 北京：科学出版社,2013: 34-53.
