<p>注：*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】 *  简要介绍作品：</p> <pre><code>本次参赛作品是基于坤元微电子有限公司自主研发的血氧&amp;心率检测芯片（TS9516）的一种便携式血氧检测装置(出于保密和演示的方便性，以下只提供该装置的实现原理和Demo电路资料)。 </code></pre> <p>【请在竞赛阶段填写 ↓】 *  一、作品详情； 随着家用医疗的普及，越来越多的用户开始关注血氧和心率等指标，迫切的需要一种能方便的测量血氧的装置。坤元微电子基于这种需求，研发了一款专用于血氧&心率检测的集成电路芯片（TS9516）。通常便携式血氧检测设备是采用非介入方式来测量血液中的含氧量，含氧量以完全饱和水平的百分比来衡量。这种测量方式是基于血液中血红蛋白的光吸收特性，在可见光谱和近红外光谱内，含氧血红蛋白(HbO2)与脱氧血红蛋白(Hb)具有不同的吸收曲线。Hb吸收的红光频率的光线较多，红外光(IR)频率的光线较少。HbO2则相反，吸收的红光频率的光线较少，红外光(IR)频率的光线较多。 根据血液中血红蛋白的光吸收特性能很容易的联想到一种血氧测量方法，就是使用红光和红外光发光管照射人体的某单一组织位置（比如手指），在穿过人体的另一侧使用能响应红光和红外光的光电二极管检测透射的光线，光电二极管上会产生与光强成比例的电流信号，检测并分析这一电流信号就能得出血氧含量。此外根据血液流动的脉冲特性，还可以测量出脉搏率和强度。</p> <p>2.电路实现原理 坤元研发的专用芯片TS9516具备发光管电流控制、发光使能、I-F转换等功能，能完美的实现上述血氧测量方案。使用该芯片作为核心设计的血氧测量装置原理如图所示。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/PUl0bivkAcNAR1XCRUUInlgwU7ln10A6JJ5JaRoM.png" alt="1.png"> 图一、基于TS951X系列芯片的血氧检测方案实现原理图 TS951X系列芯片内部集成H桥作为发光管驱动（发光管H桥驱动原理如图二所示），对RED_REF和IR_REF脚的电压进行调节就能控制发光管的发光电流，RED_CS和IR_CS是发光管的使能管脚。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/pjK8vZ2KD2uKrlbSADc3f90YxlIV8yKqsYWvfAnt.png" alt="2.png"> 图二、TS951X系列芯片发光管驱动原理图 光电二极管连接在IN和ANOD脚之间，有光照的情况下，光电二极管上产生一个微弱电流，TS9516的IN脚能识别这个电流，并在OUT脚输出与该电流大小线性相关的频率信号。使用MCU测量OUT脚信号的频率就能得到光电二极管上的电流大小，从而得到我们要测量的光信号的强弱，配合相应的算法得到血氧含量。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Dly3CduIBZM06S2lLZKJOgs0uhElkgtIzlM5qpio.png" alt="3.png"> 图三、血氧测量装置实现的MCU程序流程图 3.Demo板功能演示电路原理     demo板使用普通发光二极管代替血氧测量装置中的红光和红外光发光管，用于演示发光管电流和使能控制。使用howland压控电流源替代光电二极管，用于演示I-F转换功能。demo板的相关资料见附件。下面进行模块介绍： ①电源和接口 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/LD4SSCTSnaa4fIAlG7mQnT32UIE6iCqoJ3yLeBMd.png" alt="4.png"> demo使用±5V双电源或5V单电源供电，使用了坤元的线性稳压芯片TS6112-33作为TS951X芯片的供电，howland压控电流源部分使用正负电源供电，对于外部电源不够的情况也能使用单电源5V供电，由ICL7660作为负电源输出。 ②发光管使能 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/tJl5iGVWURb1yxsTSqqq6WBBvC15IBGia6dU0pY1.png" alt="5.png"> 发光管的使能使用拨动开关进行演示，同时留有供单片机连接的接口。 ③发光管电流控制 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/x8O2unL5S34t3ycDMZoNXsHsL3hp8xtDXZwllI1T.png" alt="6.png"> 发光管的电流控制部分集成在TS951X芯片内部，只需要在IR_REF脚和RED_REF脚输入一个合适的电压就能实现发光管电流的调节（血氧测量装置中可以直接分压，而不使用bufer），对于数字调节的产品，留有MCU接口。 ④howland压控电流源 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/h4AHAToy4ilinGPqn1iiyZhSkxOKUrl7SBgDdjoX.png" alt="7.png"> howland电流源电路时常用的压控电流源电路，上图中的电路能在TS951X芯片的IN脚产生uA级的电流负载，用于模拟光电二极管在不同光强下的电流变化。~~~~</p> <pre><code></code></pre> <p>*  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；</p> <pre><code>在实现血氧&amp;心率检测过程中，面临多个难题，如血流灌注偏低、某些个体的皮肤透射率低、应用场合的环境光较强等 1、血流灌注低：血流灌注是指单位时间内流入的血流量。当血流灌注低时，需要系统有足够的输入动态范围和信号的低噪声放大调理，以便捕获到有效信号。坤元自主研发的芯片（TS9516）内置了低噪声放大器和高分辨率的ADC，从而解决该问题。市场对血氧检测设备的要求是弱灌注低至1%时依然能检测血氧，而坤元的芯片已经可以做到0.3%了。 2、皮肤透射率低：皮肤颜色较深或手指较粗的人，在采用透射式测量血氧时，会降低透射的光线的光照强度，从而减小接收管产生的电流信号，给测试带来困难。此时可以通过坤元的TS9516中的LED驱动电流调节功能，适当增强发光管的发光强度。同理，对于皮肤颜色较浅或手指较细的人，也可能会造成透射光信号过强，超出输出检测的动态范围，此时可以适当的降低LED的驱动电流。 3、应用场景的环境光干扰：在测试血氧时，环境光中的红光和红外光会给测试带来干扰，而坤元的TS9516芯片，通过对发光电流进行调制和输出信号进行滤波，可以有效的将这种直流干扰滤除。 </code></pre> <p>*  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点；</p> <pre><code>demo装置主要是为了展示坤元自主研发的血氧&amp;心率专用芯片（TS9516）的各模块功能。其中包括了发光管驱动电流的控制、发光使能以及电流检测功能。demo装置采用±5V供电，其中，TS9516使用直流稳压芯片（TS6112-33）产生的3.3V进行供电。 1、驱动电流的控制：通过外部电路产生两个基准电压，分别输入到TS9516的Red_REF和IR_REF管脚，从而实现不同的发光电流（同系列产品，坤元还推出了TS9517，内置了高精度的DA转换电路，通过SPI模式通讯，便可调节驱动电流，无需外部基准）。 2、发光使能：TS9516的Red_CS和IR_CS管脚加逻辑电平，便可实现红光或红外光的发光与关断。 3、电流检测功能：该系统上使用运算放大器（TS2264A）构成Howland压控电流源，用来模拟光电二极管产生的微弱电流信号。Howland电流源使用电阻分压的方式输入，调节分压电阻的大小能起到改变电流的作用。TS9516检测该电流信号后，能输出与之相关的频率信号，电流响应度为100kHz/uA。 </code></pre> <p>*  四、作品材料清单；</p> <pre><code>血氧&amp;心率检测芯片：TS9516 线性稳压芯片：TS6112-33 双通道轨到轨运算放大器：TS2264A 其他：贴片电阻、贴片电容、可调电阻、LED发光管、接插件等 </code></pre> <p>*  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VyAfCYZVruvKgP14oG7qG75YmgTe1q5R4cr6oVbY.png" alt="QQ截图20190912181614.png"></p> <p>*  六、演示您的作品并录制成视频上传；（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛）</p> <pre><code>[https://image.lceda.cn/attachments/2019/9/rFcSG3CASiwwQNiLKjw1iacnAAAcx7OXAj4nVetU.mp4](https://image.lceda.cn/attachments/2019/9/rFcSG3CASiwwQNiLKjw1iacnAAAcx7OXAj4nVetU.mp4) </code></pre> <p>七、开源文档。</p> <pre><code></code></pre>