CN109846492B - 采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 - Google Patents
采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109846492B CN109846492B CN201711255896.8A CN201711255896A CN109846492B CN 109846492 B CN109846492 B CN 109846492B CN 201711255896 A CN201711255896 A CN 201711255896A CN 109846492 B CN109846492 B CN 109846492B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current signal
- switch
- alternating current
- direct current
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 title claims description 7
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims abstract description 42
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims abstract description 41
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 37
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 14
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 8
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims 3
- 238000002496 oximetry Methods 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 101100113701 Dictyostelium discoideum clkA gene Proteins 0.000 description 6
- 101150042711 adc2 gene Proteins 0.000 description 6
- 101100113692 Caenorhabditis elegans clk-2 gene Proteins 0.000 description 5
- 101100003180 Colletotrichum lindemuthianum ATG1 gene Proteins 0.000 description 5
- 101100434411 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) ADH1 gene Proteins 0.000 description 5
- 101150102866 adc1 gene Proteins 0.000 description 5
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 101710096660 Probable acetoacetate decarboxylase 2 Proteins 0.000 description 2
- -1 clk3 Proteins 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004971 IR microspectroscopy Methods 0.000 description 1
- 101710096655 Probable acetoacetate decarboxylase 1 Proteins 0.000 description 1
- 108010001267 Protein Subunits Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 230000004087 circulation Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000012060 immune response imaging Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- VVNRQZDDMYBBJY-UHFFFAOYSA-M sodium 1-[(1-sulfonaphthalen-2-yl)diazenyl]naphthalen-2-olate Chemical compound [Na+].C1=CC=CC2=C(S([O-])(=O)=O)C(N=NC3=C4C=CC=CC4=CC=C3O)=CC=C21 VVNRQZDDMYBBJY-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
Abstract
本发明实施例提供采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置，涉及电子电路技术领域。采集电路包括接收模块和时钟控制模块，接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器。采样保持单元可以间隔采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，利用第一滤波器将直流信号过滤，仅保留红光交流信号和红外光交流信号，再将其放大，以便微控制单元计算出脉率和血氧饱和度。解决了放大器需要对直流电压进行发大导致的高动态输出的问题，无需微控制单元预先对直流电压进行评估，避免了使用额外的DAC输出相应的直流量来抵消，也避免了使用高分辨率ADC，节约了功耗。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置。
背景技术
血氧饱和度(SpO2)是反映人体健康程度的重要生理参数，通过对血氧饱和度的检测，能够有效的判别人体循环系统和呼吸系统的功能是否正常。现今无创检测法早已经成为主流，而光传感式血氧饱和度监测技术也有应用。由于人体动脉的搏动能够引起测试部位血液流量的变化，从而引起光吸收量的变化，而非血液组织的光吸收量通常认为是恒定的。光传感式血氧饱和度测量技术便是利用这个特点，通过检测血液容量波动引起的光吸收量的变化，并且消除非血液组织的影响来求得血氧饱和度。一般需要利红光和红外光对皮肤进行照射，再利用光敏二极管采集光照的变化，输出是微安级别的直流电和纳安级别的交流电，但是在计算血氧饱和度需要利用红外交流电和红光交流电，因此需要对其纳安级别的交流电进行放大。现有的血氧饱和度以及脉搏的采集装置需要获得前端放大电路的高动态范围，通常的方法是先于采集一个信号，然后微控制单元(MCU)对其采集的信号进行评估，通过数模转换器(DAC)输出相应的直流与输入信号的直流进行相互抵消，额外的增加了DAC电路的设计复杂度和功耗，并且还需要使用高位的模数转换器(ADC)进行信号转换，如使用22位的ADC，增加了芯片功耗和面积。在一些其他方案中还是MCU的数据处理工作量增多，这些都使得血氧饱和度以及脉搏的采集装置的功耗高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置，解决了现有技术的采集电路需要输出高动态范围的电信号，增加了整个装置的功耗的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种采集电路，用于与微控制单元电连接，所述采集电路包括接收模块和时钟控制模块，所述接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元同时和所述放大器和所述采样保持电路电连接，所述跨阻放大器用于连接光敏二极管，以将光敏二极管感应红光和红外光而生成的电流信号转换为电压信号，所述采样保持单元用于依据所述时钟控制模块发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，其中所述红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号被传送至所述微控制单元，所述第一滤波器用于过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元，以便所述微控制单元依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号以及所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到脉率和/或血氧饱和度。
优选的，所述采样保持电路包括第一支路、第二支路、第一充电电容及第二充电电容，所述第一支路包括第一开关和第二开关，所述第一开关设置于所述跨阻放大器的输出端与所述第一滤波器之间，所述第二开关的一端连接与所述第一开关与所述第一滤波器之间，所述第二开关的另一端与所述微控制单元连接，所述第一充电电容的一端连接于所述第一开关与所述第二开关之间，所述第一充电电容的另一端用于与基准电压电源连接；所述第二支路与所述第一支路并联，所述第二支路包括第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关串连，所述第三开关的一端连接于所述跨阻放大器的输出端与所述第一开关之间，所述第四开关的一端与所述微控制单元连接，所述第二充电电容的一端连接于所述第三开关与所述第四开关之间，所述第二充电电容的另一端接地。
优选的，所述第一支路还包括第一缓冲寄存器，所述第一缓冲寄存器串接于所述第二开关与所述微控制单元之间；所述第二支路还包括第二缓冲寄存器，所述第二缓冲寄存器串接于所述第四开关与所述微控制单元之间。
优选的，所述采样保持电路用于依据所述时序控制逻辑信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关处于第一状态或第二状态；在所述第一状态下，所述第一开关和所述第四开关闭合，所述第二开关和所述第三开关断开，所述第一充电电容充电，所述第二充电电容放电，所述微控制单元从所述采样保持电路接收所述环境光直流信号，以及从所述放大器接收放大后的红光交流信号或所述红外光交流信号；在所述第二状态下，所述第一开关和所述第四开关断开，所述第二开关和所述第三开关闭合，所述第一充电电容放电，所述第二充电电容充电，所述微控制单元从所述采样保持电路接收所述红光直流信号或所述红外光直流信号。
优选的，还包括第二滤波器和第三缓冲寄存器，所述第二滤波器和所述第三缓冲寄存器依次连接于所述放大器和所述微控制单元之间，所述第二滤波器与所述放大器连接，所述第三缓冲寄存器与所述微控制单元连接。
优选的，所述第一滤波器为高通滤波器，所述第二滤波器为低通滤波器，所述放大器为可编程增益放大器。
优选的，所述跨阻放大器的正输入端用于连接光敏二极管，所述跨阻放大器的负输入端与基准电压电源连接。
第二方面，本发明实施例还提供一种血氧饱和度采集芯片，用于与微控制单元电连接，所述血氧饱和度采集芯片包括采集电路和发射模块，所述采集电路和所述发射模块均用于与所述微控制单元电连接，所述发射模块包括相互电连接的驱动电路和数模转换电路，所述驱动电路和所述数模转换电路用于分别控制与所述发射模块连接的发光源的发光时间与发光亮度；所述采集电路包括接收模块和时钟控制模块，所述接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元同时和所述放大器和所述采样保持电路电连接，所述跨阻放大器用于连接光敏二极管，以将光敏二极管感应红光和红外光而生成的电流信号转换为电压信号，所述采样保持单元用于依据所述时钟控制模块发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，其中所述红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号被传送至所述微控制单元，所述第一滤波器用于过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元，以便所述微控制单元依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号以及所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到脉率和/或血氧饱和度。
第三方面，本发明实施例还提供一种血氧饱和度采集装置，包括采集电路、发射模块以及微控制单元，所述采集电路包括接收模块和时钟控制模块，所述微控制单元分别与所述发射模块和所述接收模块以及所述时钟控制模块电连接，所述发射模块包括驱动电路，所述驱动电路连接有第一光源和第二光源，所述第一光源发出红光，所述第二光源发出红外光，所述微控制单元用于依据时钟控制模块发出的时钟信号通过所述驱动电路控制第一光源和所述第二光源的发光时间；所述接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元同时和所述放大器和所述采样保持电路电连接，所述跨阻放大器用于连接光敏二极管，以将光敏二极管感应红光和红外光而生成的电流信号转换为电压信号，所述采样保持单元用于依据所述时钟控制模块发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，其中所述红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号被传送至所述微控制单元，所述第一滤波器用于过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元，以便所述微控制单元依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号以及所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到脉率和/或血氧饱和度。
优选的，所述发射模块还包括数模转换电路，所述数模转换电路的一端与所述驱动电路连接，所述数模转换电路的另一端与所述微控制单元连接，所述数模转换电路用于控制所述第一光源和所述第二光源的发光亮度。
与现有技术相比，本发明实施例提供的采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置，采样保持单元可以间隔采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，利用第一滤波器将直流信号过滤，仅保留红光交流信号和红外光交流信号，再将红光交流信号和红外光交流信号放大，以便微控制单元计算出脉率和血氧饱和度。解决了放大器需要对直流电压进行发大导致的高动态输出的问题，并且采用本发明实施例的方案，不需要微控制单元预先对直流电压进行评估，避免了使用额外的DAC输出相应的直流量来抵消，也避免了使用高分辨率ADC，节约了功耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的血氧饱和度采集装置的电路框图。
图2为本发明实施例提供的采集电路的电路结构示意图。
图3为本发明实施例提供的时钟控制模块发出的信号波形图和微控制单元接收的信号波形图。
图4为本发明较佳实施例提供的发射模块的电路结构示意图。
图5是本发明较佳实施例的图4中DAC的控制逻辑图。
图标：1-血氧饱和度采集装置；10-血氧饱和度采集芯片；20-微控制单元；11-接收模块；12-时钟控制模块；13-发射模块；14-电源模块；110-跨阻放大器；111-采样保持电路；112-高通滤波器；113-可编程增益放大器；114-低通滤波器；131-驱动电路；141-基准电压电源；K1-第一开关；K2-第二开关；K3-第三开关；K4-第四开关；C1-第一充电电容；C2-第二充电电容。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参考图1，是本发明实施例提供的血氧饱和度采集装置1的电路框图。本发明实施例提供一种血氧饱和度采集装置1，通过检测血液容量波动引起的光吸收量的变化求得血氧饱和度，同时还可以求得脉率。所述血氧饱和度采集装置1包括血氧饱和度采集芯片10和微控制单元20(Microcontroller Unit；MCU)，血氧饱和度采集芯片10包括采集电路、发射模块13以及电源模块14。采集电路包括接收模块11和时钟控制模块12，接收模块11、时钟控制模块12和发射模块13分别和微控制单元20电连接，电源模块14可以为接收模块11、时钟控制模块12、发射模块13和微控制单元20等供电。
电源模块14包括基准电压电源141，基准电压电源141用于提供基准电源电压Vref，所述电源模块14还可以包括线性稳压源和偏执电流源。
在检测人体的血氧饱和度和脉率时，由于血液对红光和红外光的敏感，可以向皮肤照射红光和红外光，并采集由于血液容量波动引起的红光和红外光吸收量的变化。因此，需要向人体照射红光和红外光，并采集光吸收量变化。
基于此，所述发射模块13需要连接发出红光的第一光源DR和发出红外光的第二光源DIR，在其他具体实施方式中，所述发射模块13可以自带发出红光和红外光的光源。优选的，第一光源DR为发出红光的LED灯，第二光源DIR为发出红外光的LED灯。发射模块13包括驱动电路131，驱动电路131与第一光源DR和第二光源DIR电连接，微控制单元20可以依据时钟控制模块12发出的时钟信号，驱动电路131可依据时钟信号控制第一光源DR和第二光源DIR发光的发光时间。
所述发射模块13还可以包括数模转换电路(Digital-to-analog converter，DAC)，微控制单元20可以向DAC发送数字信号，控制流过第一光源DR和第二光源DIR的电流大小，进一步控制第一光源DR和第二光源DIR发光的发光亮度，以满足不同用户的使用情况。
所述接收模块11包括依次电连接的跨阻放大器110、采样保持电路111、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元20同时和所述放大器和所述采样保持电路111电连接。所述跨阻放大器110连接有光敏二极管D1，该光敏二极管D1可以感应红光和红外光生成电流信号，跨阻放大器110可以将电流信号转换为电压信号。光敏二极管D1采集的由光吸收量的变化而产生的电流包括直流部分和交流部分，通常的直流范围最大几十uA，交流范围为50nA～100nA。本实施例的跨阻放大器110的动态直流范围为100nA～80uA，交流最大幅值约为100nA。
所述采样保持单元用于依据所述时钟控制模块12发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，由于直流信号红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号较大，可以直接发送至所述微控制单元20，而红光交流信号和红外光交流信号需要进一步放大。
所述第一滤波器用于从红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号中过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，使只有红光交流信号和红外光交流信号被放大器过滤大。本实施例中，所述第一滤波器为高通滤波器112。
所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元20。本实施例中，所述放大器为可编程增益放大器113，MCU可控制可编程增益放大器113增益的自适应调节，选择合适的动态范围，有效地放大红光交流信号和红外光交流信号。
本实施例中，所述可编程增益放大器113与MCU之间还设置有低通滤波器114，可以将较高频率的信号进行过滤。
微控制单元20可以包括模数转换电路(Analog-to-digital converter，ADC)，模数转换电路包括有ADC1和ADC2，ADC1直接与采样保持电路111连接，从采样保持电路111获取红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号；ADC2与低通滤波器114连接，获取经过过滤放大后的红光交流信号和红外光交流信号。
微控制单元20可以依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号计算得到脉率，再结合所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到血氧饱和度。
请参考图2，是本发明实施例提供的采集电路的电路结构示意图。光敏二极管D1感应生成的电流信号进入跨阻放大器110转化为电压信号，该跨阻放大器110中，正输入端与光敏二极管D1连接，负输入端与基准电压电源141连接，接入基准电压Vref。本实施例中，所述跨阻放大器110为斩波差分结构，可以有效地减小输入噪声，由于负输入端接入基准电压Vref可以稳住输出的电压信号于基准电压，移除基线漂移。
所述采样保持电路111包括第一支路、第二支路、第一充电电容C1及第二充电电容C2，所述第一支路包括第一开关K1和第二开关K2，所述第一开关K1设置于所述跨阻放大器110的输出端与所述第一滤波器之间，所述第二开关K2的一端连接与所述第一开关K1与所述第一滤波器之间，所述第二开关K2的另一端与所述微控制单元20连接，所述第一充电电容C1的一端连接于所述第一开关K1与所述第二开关K2之间，所述第一充电电容C1的另一端用于与基准电压电源141连接。
本实施例中，为了方便MCU读取信号，还设置了三个缓冲寄存器(buffer)，分别为第一缓冲寄存器、第二缓冲寄存器以及第三缓冲寄存器，即buffer1、buffer2、buffer3。buffer1串接于所述第二开关K2与ADC1之间。
所述第二支路与所述第一支路并联，所述第二支路包括第三开关K3和第四开关K4，所述第三开关K3和所述第四开关K4串连，所述第三开关K3的一端连接于所述跨阻放大器110的输出端与所述第一开关K1之间，所述第四开关K4的一端与所述微控制单元20连接，所述第二充电电容C2的一端连接于所述第三开关K3与所述第四开关K4之间，所述第二充电电容C2的另一端接地，buffer2串接于所述第四开关K4与ADC2之间。
高通滤波器112包括了电容CH，电容CH可以将直流电过滤，仅允许高频的交流电通过。可编程增益放大器113的正输入端与电容CH连接，负输入端接入基准电压Vref。
低通滤波器114包括电阻RL和电容CL，电阻RL串接于可编程增益放大器113的输出端与ADC2之间，电容CL的一端连接于电阻RL与ADC2之间，电容CL另一端接入基准电压Vref，所述低通滤波器114与ADC2之间连接有buffer3。
需要提到的是，所述采样保持电路111用于依据时钟控制模块12发出的时序控制逻辑信号控制所述第一开关K1、所述第二开关K2、所述第三开关K3和所述第四开关K4处于第一状态或第二状态。另一方面，时钟控制模块12通过与时序控制逻辑信号在时间上相对应的时钟信号来控制第一光源DR和第二光源DIR的打开、关闭时间。
在所述第一状态下，所述第一开关K1和所述第四开关K4闭合，所述第二开关K2和所述第三开关K3断开，所述第一充电电容C1充电，所述第二充电电容C2放电。此时，所述微控制单元20从所述采样保持电路111接收所述环境光直流信号，以及从所述放大器接收放大后的红光交流信号或所述红外光交流信号。
在所述第二状态下，所述第一开关K1和所述第四开关K4断开，所述第二开关K2和所述第三开关K3闭合，所述第一充电电容C1放电，所述第二充电电容C2充电，所述微控制单元20从所述采样保持电路111接收所述红光直流信号或所述红外光直流信号。
请参考图3，是本发明实施例提供的时钟控制模块12发出的信号波形图和微控制单元20接收的信号波形图。所述时钟控制模块12用于发出时序控制逻辑信号控制采样保持电路111以及向MCU发送时钟信号，进一步控制第一光源DR和第二光源DIR发出红光和红外光的时间，时序控制逻辑信号和时钟信号对应，以便MUC分离采集红光和红外光。
具体的，所述时序控制逻辑信号包括clkA和clkB，时钟信号包括clk1、clk2、clk3和clk4。clkA、clkB、clk1、clk2、clk3和clk4的周期相同，T1、T2、T3、T4分别为时序控制逻辑信号和时钟信号的四个四分之一周期。clk1用于控制第一光源DR发出红光，clk2用于控制第二光源DIR发出红外光，clk3和clk4控制第一光源DR和第二光源DIR均不发光。其中，clkB可以由clk1和clk2叠加生成，clkA可以由clk3和clk4。
clkA用于控制第三开关K3和第四开关K4的闭合和断开，在clkA的高电平时，第三开关K3闭合，第四开关K4断开；在clkA的低电平时，第三开关K3断开，第四开关K4闭合。clkB用于控制第一开关K1和第二开关K2的闭合和断开，在clkB的高电平时，第一开关K1闭合，第二开关K2断开；在clkB的低电平时，第一开关K1断开，第二开关K2闭合。
其中，DC和AC分别为微控制单元20从ADC1和ADC2接收的信号波形图。DC包括红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号，在T1和T3时，ADC1接收环境光直流信号；在T2和T4时，ADC1分别接收红光直流信号和红外光直流信号。AC包括红光交流信号和红外光交流信号，在T2时，ADC2接收红光交流信号；在T4时，ADC2接收红外光交流信号。MCU根据采集的红光交流信号和红外光交流信号计算脉率，再结合红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算血氧饱和度，血氧饱和度可以通过如下公式进行计算：
请参考图4，是本发明较佳实施例提供的发射模块13的电路结构示意图。该发射模块13包括驱动电路131，驱动电路131采用桥式驱动的结构，通过开关交替控制第一光源DR和第二光源DIR发光。所述驱动电路131包括开关K5、开关K6、MOS管Q1和MOS管Q2，MCU通过时钟信号clk1、clk2、clk3和clk4来控制开关K5、开关K6的闭合或断开，控制MOS管Q1和MOS管Q2的栅极的电压，以实现第一光源DR和第二光源DIR的发光时间。
请参考图5并结合图4，图5是本发明较佳实施例的图4中DAC的控制逻辑图。
DAC可以由8个子单元构成，任意一个子单元包括反向器、开关Di和Di及MOS晶体管，开关Di和开关Di只能以择一的方式打开，即其中一个闭合另一个断开。MCU可以控制开关Di和开关Di，当Di闭合时DAC中对应的MOS管的栅极电压为Vref，当Di闭合时DAC中对应的MOS管的栅极接地。由于MCU控制开关Di使MOS晶体管接入的是基准电压Vref，不会受到的温度、工艺误差的影响，使发射模块13提供稳定的LED驱动电流。
利用DAC控制通过第一光源DR或第二光源DIR的电流为：
如此，可以通过MCU向DAC发出不同的数字信号以控制第一光源DR或第二光源DIR的发光亮度。
综上所述，本发明实施例提供的采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置，采样保持单元可以间隔采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，利用高通滤波器将直流信号过滤，仅保留红光交流信号和红外光交流信号，再将红光交流信号和红外光交流信号放大，以便微控制单元计算出脉率和血氧饱和度。解决了放大器需要对直流电压进行发大导致的高动态输出的问题，并且采用本发明实施例的方案，不需要微控制单元预先对直流电压进行评估，避免了使用额外的DAC输出相应的直流量来抵消，也避免了使用高分辨率ADC，节约了功耗。另外，跨阻放大器的负反馈单端输入的方式可以稳住信号于基准电压，移除基线漂移，将斩波技术用于跨阻放大器，有效地抑制输入噪声。将基准电压作为DAC的供电电压，使DAC不会受到的温度、工艺误差的影响，以提供稳定的电源驱动电流。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种采集电路，用于与微控制单元电连接，其特征在于，所述采集电路包括接收模块和时钟控制模块，所述接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元同时和所述放大器和所述采样保持电路电连接，所述跨阻放大器用于连接光敏二极管，以将光敏二极管感应红光和红外光而生成的电流信号转换为电压信号，所述采样保持电路用于依据所述时钟控制模块发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，其中所述红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号被传送至所述微控制单元，所述第一滤波器用于过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元，以便所述微控制单元依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号以及所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到脉率和/或血氧饱和度；所述放大器为可编程增益放大器，所述可编程增益放大器与所述微控制单元之间设置有低通滤波器，将较高频率的信号进行过滤，所述跨阻放大器为斩波差分结构；
所述采样保持电路包括第一支路、第二支路、第一充电电容及第二充电电容，所述第一支路包括第一开关和第二开关，所述第一开关设置于所述跨阻放大器的输出端与所述第一滤波器之间，所述第二开关的一端连接与所述第一开关与所述第一滤波器之间，所述第二开关的另一端与所述微控制单元连接，所述第一充电电容的一端连接于所述第一开关与所述第二开关之间，所述第一充电电容的另一端用于与基准电压电源连接；
所述第二支路与所述第一支路并联，所述第二支路包括第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关串连，所述第三开关的一端连接于所述跨阻放大器的输出端与所述第一开关之间，所述第四开关的一端与所述微控制单元连接，所述第二充电电容的一端连接于所述第三开关与所述第四开关之间，所述第二充电电容的另一端接地；
所述第一支路还包括第一缓冲寄存器，所述第一缓冲寄存器串接于所述第二开关与所述微控制单元之间；
所述第二支路还包括第二缓冲寄存器，所述第二缓冲寄存器串接于所述第四开关与所述微控制单元之间；
所述采样保持电路用于依据所述时序控制逻辑信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关处于第一状态或第二状态；
在所述第一状态下，所述第一开关和所述第四开关闭合，所述第二开关和所述第三开关断开，所述第一充电电容充电，所述第二充电电容放电，所述微控制单元从所述采样保持电路接收所述环境光直流信号，以及从所述放大器接收放大后的红光交流信号或所述红外光交流信号；
在所述第二状态下，所述第一开关和所述第四开关断开，所述第二开关和所述第三开关闭合，所述第一充电电容放电，所述第二充电电容充电，所述微控制单元从所述采样保持电路接收所述红光直流信号或所述红外光直流信号。
2.根据权利要求1所述的采集电路，其特征在于，还包括第二滤波器和第三缓冲寄存器，所述第二滤波器和所述第三缓冲寄存器依次连接于所述放大器和所述微控制单元之间，所述第二滤波器与所述放大器连接，所述第三缓冲寄存器与所述微控制单元连接。
3.根据权利要求2所述的采集电路，其特征在于，所述第一滤波器为高通滤波器，所述第二滤波器为低通滤波器，所述放大器为可编程增益放大器。
4.根据权利要求1所述的采集电路，其特征在于，所述跨阻放大器的正输入端用于连接光敏二极管，所述跨阻放大器的负输入端与基准电压电源连接。
5.一种血氧饱和度采集芯片，用于与微控制单元电连接，其特征在于，所述血氧饱和度采集芯片包括权利要求1-4任一项权利要求所述的采集电路和发射模块，所述采集电路和所述发射模块均用于与所述微控制单元电连接，所述发射模块包括相互电连接的驱动电路和数模转换电路，所述驱动电路和所述数模转换电路用于分别控制与所述发射模块连接的发光源的发光时间与发光亮度；
所述采集电路包括接收模块和时钟控制模块，所述接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元同时和所述放大器和所述采样保持电路电连接，所述跨阻放大器用于连接光敏二极管，以将光敏二极管感应红光和红外光而生成的电流信号转换为电压信号，所述采样保持电路用于依据所述时钟控制模块发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，其中所述红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号被传送至所述微控制单元，所述第一滤波器用于过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元，以便所述微控制单元依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号以及所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到脉率和/或血氧饱和度。
6.一种血氧饱和度采集装置，其特征在于，包括权利要求1-4任一项权利要求所述的采集电路、发射模块以及微控制单元，所述采集电路包括接收模块和时钟控制模块，所述微控制单元分别与所述发射模块和所述接收模块以及所述时钟控制模块电连接，所述发射模块包括驱动电路，所述驱动电路连接有第一光源和第二光源，所述第一光源发出红光，所述第二光源发出红外光，所述微控制单元用于依据时钟控制模块发出的时钟信号通过所述驱动电路控制第一光源和所述第二光源的发光时间；
所述接收模块包括依次电连接的跨阻放大器、采样保持电路、第一滤波器以及放大器，所述微控制单元同时和所述放大器和所述采样保持电路电连接，所述跨阻放大器用于连接光敏二极管，以将光敏二极管感应红光和红外光而生成的电流信号转换为电压信号，所述采样保持电路用于依据所述时钟控制模块发出的时序控制逻辑信号从所述电压信号分别采集红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号、红光交流信号和红外光交流信号，其中所述红光直流信号、红外光直流信号、环境光直流信号被传送至所述微控制单元，所述第一滤波器用于过滤得到所述红光交流信号和红外光交流信号，所述放大器用于将过滤后的所述红光交流信号和红外光交流信号进行放大并传送至所述微控制单元，以便所述微控制单元依据所述放大后的所述红光交流信号和红外光交流信号以及所述红光直流信号、所述红外光直流信号和所述环境光直流信号计算得到脉率和/或血氧饱和度。
7.根据权利要求6所述的血氧饱和度采集装置，其特征在于，所述发射模块还包括数模转换电路，所述数模转换电路的一端与所述驱动电路连接，所述数模转换电路的另一端与所述微控制单元连接，所述数模转换电路用于控制所述第一光源和所述第二光源的发光亮度。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711255896.8A CN109846492B (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 |
| PCT/CN2018/070073 WO2019104827A1 (zh) | 2017-11-30 | 2018-01-02 | 采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711255896.8A CN109846492B (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109846492A CN109846492A (zh) | 2019-06-07 |
| CN109846492B true CN109846492B (zh) | 2021-02-19 |
Family
ID=66663702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711255896.8A Active CN109846492B (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109846492B (zh) |
| WO (1) | WO2019104827A1 (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110442260A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-11-12 | 广州华欣电子科技有限公司 | 一种红外触摸屏的边框结构、红外触摸屏及红外触摸设备 |
| CN110515490B (zh) * | 2019-08-27 | 2023-05-05 | 广州华欣电子科技有限公司 | 信号处理电路 |
| CN110755067A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-02-07 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 心电、脉搏波联合采集的前端模拟电路及前端模拟芯片 |
| CN113057630A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-07-02 | 宝宝 | 一种指夹式血氧仪检测电路 |
| CN114403904B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-01-13 | 北京津发科技股份有限公司 | 基于肌电信号与肌肉血氧饱和度确定肌肉状态的装置 |
| CN115844390B (zh) * | 2022-12-24 | 2023-09-29 | 北京津发科技股份有限公司 | 一种近红外光采集电路、方法、系统及装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4846183A (en) * | 1987-12-02 | 1989-07-11 | The Boc Group, Inc. | Blood parameter monitoring apparatus and methods |
| CN101404929A (zh) * | 2006-02-15 | 2009-04-08 | 迪安洛哥设备有限公司 | 外周动脉通畅性监视系统和方法 |
| CN102488525A (zh) * | 2011-12-14 | 2012-06-13 | 吉林大学 | 一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置 |
| CN103547211A (zh) * | 2011-05-20 | 2014-01-29 | 株式会社村田制作所 | 光学传感器装置 |
| CN106859664A (zh) * | 2015-12-13 | 2017-06-20 | 田佳聪 | 一种无创血氧检测仪 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8761853B2 (en) * | 2011-01-20 | 2014-06-24 | Nitto Denko Corporation | Devices and methods for non-invasive optical physiological measurements |
-
2017
- 2017-11-30 CN CN201711255896.8A patent/CN109846492B/zh active Active
-
2018
- 2018-01-02 WO PCT/CN2018/070073 patent/WO2019104827A1/zh active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4846183A (en) * | 1987-12-02 | 1989-07-11 | The Boc Group, Inc. | Blood parameter monitoring apparatus and methods |
| CN101404929A (zh) * | 2006-02-15 | 2009-04-08 | 迪安洛哥设备有限公司 | 外周动脉通畅性监视系统和方法 |
| CN103547211A (zh) * | 2011-05-20 | 2014-01-29 | 株式会社村田制作所 | 光学传感器装置 |
| CN102488525A (zh) * | 2011-12-14 | 2012-06-13 | 吉林大学 | 一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置 |
| CN106859664A (zh) * | 2015-12-13 | 2017-06-20 | 田佳聪 | 一种无创血氧检测仪 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 无损伤脉搏血氧饱和度监测技术;邓渊等;《电子技术应用》;19941230;全文 * |
| 透射式脉搏血氧饱和度检测系统的设计与实现;刘婷等;《中国医疗设备》;20121230;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019104827A1 (zh) | 2019-06-06 |
| CN109846492A (zh) | 2019-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109846492B (zh) | 采集电路、血氧饱和度采集芯片及装置 | |
| Song et al. | A 769 μW battery-powered single-chip SoC with BLE for multi-modal vital sign monitoring health patches | |
| US10121815B2 (en) | Photo detector and associated integrated circuit | |
| Sun et al. | A low-cost smartphone-based electrochemical biosensor for point-of-care diagnostics | |
| US6370408B1 (en) | Medical sensor with amplitude independent output | |
| WO2017076105A1 (zh) | 一种用于直流输电线路的故障辨识系统 | |
| Yan et al. | A 680 nA ECG acquisition IC for leadless pacemaker applications | |
| Rodrigues et al. | Experimental low cost reflective type oximeter for wearable health systems | |
| CN106580339A (zh) | 一种血氧脉搏采集系统及采集前端集成电路 | |
| Oreggia et al. | Physiological parameters measurements in a cardiac cycle via a combo PPG-ECG system | |
| US11369275B2 (en) | Device for read-out of a photoplethysmography signal and a wearable sensor | |
| CN105286793B (zh) | 生理信号调理电路和生理信号采集系统 | |
| US20080161663A1 (en) | Digital logic module of oximeter sensor probe | |
| Ateş et al. | Measuring of oxygen saturation using pulse oximeter based on fuzzy logic | |
| CN110755067A (zh) | 心电、脉搏波联合采集的前端模拟电路及前端模拟芯片 | |
| CN108013869A (zh) | 一种基于智能手机的血压心率测量系统 | |
| Das et al. | A pulse oximeter system, OxiSense, with embedded signal processing using an ultra-low power ASIC designed for testability | |
| CN107427240A (zh) | 光学分析系统和方法 | |
| US20200375484A1 (en) | Light-to-digital converter | |
| US10362999B1 (en) | Gated physiologial monitoring system and method | |
| KR20160019294A (ko) | 신호 처리 방법 및 장치 | |
| CN203138500U (zh) | 可测体温的血氧测量仪 | |
| Minto et al. | A 385μW Photoplethysmography-based Vitals Monitoring SoC with 110dB Current-to-Digital Converter | |
| Agarwala et al. | A 405nW/4.8 µW Event-Driven Multi-Modal (V/I/R/C) sensor interface for physiological and environmental co-monitoring | |
| Nagasato et al. | Capacitively coupled ECG sensor system with digitally assisted noise cancellation for wearable application |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |