2. 硬件系统架构：血氧仪的整体硬件框图、核心芯片选型（MCU、AFE、OLED）、电源树设计

好，咱们正式开始动手了。这一章，我带你从宏观上把血氧仪的硬件骨架搭起来。说白了，就是先画个“地图”，搞清楚每个模块在哪儿、干什么、怎么连。

很多新手工程师一上来就闷头画原理图，结果画到一半发现引脚不够用，或者电源纹波太大，又得推倒重来。我早年就吃过这个亏，一个项目返工了三次，被项目经理追着骂。所以，咱们先花点时间把架构理清楚，后面会顺很多。

2.1 整体硬件框图：先看全局

血氧仪的核心任务就两个：发光采集信号，算出血氧和脉率。围绕这个目标，硬件可以拆成四大块：

• 信号采集与处理：这是心脏。包括LED驱动、光电二极管（PD）、跨阻放大器（TIA），以及核心的模拟前端AFE。
• 主控与计算：大脑。负责控制时序、跑算法、驱动屏幕。通常是一颗MCU。
• 人机交互：脸面。OLED屏幕显示波形和数值，按键用来切换菜单。
• 电源管理：血液。把电池电压转换成各个芯片需要的干净电压。

我习惯先画一个这样的框图，贴在工位上：

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    血氧仪硬件系统框图                      │
├───────────┬───────────┬───────────┬─────────────────────┤
│  传感器   │  模拟前端  │   主控    │     人机交互        │
│  (LED+PD) │   (AFE)   │   (MCU)   │   (OLED+按键)       │
│           │           │           │                     │
│  Red/IR   │  TIA+ADC  │  I2C/SPI  │   SPI/I2C OLED      │
│  LED驱动  │  滤波     │  算法     │   按键中断          │
└─────┬─────┴─────┬─────┴─────┬─────┴─────────┬───────────┘
      │           │           │               │
      └───────────┴───────────┴───────────────┘
                 电源管理 (LDO + DC-DC)

嗯，这个图虽然简单，但每个箭头都代表一条信号线或电源线。你画原理图的时候，就是把这些框框变成具体的芯片和电阻电容。

2.2 核心芯片选型：三巨头怎么挑？

选型是门学问，也是经验的积累。我直接给你推荐三颗经过验证的芯片，都是市面上好买、资料多、不容易踩坑的。

2.2.1 MCU：选谁？

MCU负责控制AFE、跑算法、驱动OLED。算力不用太强，但外设要够用。我个人偏爱 STM32F103C8T6，也就是大家常说的“C8T6”。

• 为什么选它？ 便宜、好买、资料铺天盖地。两个I2C、三个SPI、一个USB，足够用了。
• 够用吗？ 72MHz主频，跑个血氧算法绰绰有余。我在一个量产项目里就用它，稳定运行了三年。
• 避坑：注意它的ADC只有12位，如果你不用AFE内置的ADC，而是直接用MCU采样，精度会差一些。我建议还是用AFE自带的ADC。

2.2.2 AFE：血氧仪的“心脏”

AFE（模拟前端）是血氧仪最关键的芯片。它集成了LED驱动、TIA、可编程增益放大器（PGA）和ADC。选对了AFE，硬件设计就成功了一半。

我强烈推荐 AFE4404（TI出品）或者 MAX30102（美信出品）。

特性	AFE4404	MAX30102
集成度	高（需外接LED和PD）	极高（内置LED和PD）
通道数	4通道（可接多路PD）	2通道（红光+红外）
ADC位数	22位	18位
接口	SPI	I2C
封装	QFN-40	OLGA-14
适合场景	医疗级、高精度	消费级、小体积

我的建议：

• 如果你做的是医疗认证产品（比如二类医疗器械），选 AFE4404。它的动态范围和信噪比更好，能过YY 0784标准。
• 如果你做的是手环、指夹式这种消费级产品，选 MAX30102。它把LED和PD都集成进去了，PCB面积能省一半。

2.2.3 OLED：显示要清晰

血氧仪屏幕不大，但需要显示波形和数字。我推荐 0.96寸 128x64 OLED，SSD1306驱动芯片。

• 接口： 选I2C版本，只占用两根线，布线简单。
• 颜色： 白色或蓝色都可以，我个人喜欢白色，在强光下看得更清楚。
• 功耗： OLED本身功耗不高，但别忘了加一个MOS管控制它的电源。待机时关掉屏幕，能省不少电。

2.3 电源树设计：别让电源毁了你的信号

电源设计是血氧仪最容易出问题的地方。AFE对电源噪声极其敏感，纹波稍微大一点，采集到的信号就全是毛刺。

我见过一个团队，AFE输出波形一直有50Hz的工频干扰，查了三天，最后发现是LDO的PSRR不够，把开关电源的纹波直接耦合到了模拟电路上。

所以，电源树要分层设计：

电池 (3.7V Li-ion)
  │
  ├──→ DC-DC (3.3V) ──→ MCU、OLED  (数字部分)
  │
  └──→ LDO (3.0V)  ──→ AFE、LED驱动 (模拟部分)

为什么这么分？

• DC-DC：效率高（90%以上），但纹波大（10-50mV）。适合给数字电路供电，MCU和OLED对纹波不敏感。
• LDO：效率低（压差越大效率越低），但纹波极小（<1mV）。适合给模拟电路供电，AFE需要干净的电源。

具体选型：

• DC-DC： 我常用 TPS63020（TI），它支持升降压，电池电压从2.5V到5.5V都能稳定输出3.3V。
• LDO： 推荐 XC6206P302MR（Torex），输出3.0V，静态电流只有1μA，非常适合电池供电设备。

2.4 总结一下

这一章，咱们把血氧仪的硬件架构拆开了。核心就是三颗芯片：MCU（STM32F103）、AFE（AFE4404或MAX30102）、OLED（SSD1306）。电源树要记得“数字用DC-DC，模拟用LDO”。

下一章，咱们就开始画原理图了。我会带着你，从AFE的电路开始，一步一步把每个模块的电路搭起来。到时候，你会看到这些芯片是怎么通过电阻电容连在一起的。

嗯，先消化一下这些内容。有问题随时问我。