第一章：血氧仪系统架构概述

大家好，我是老张。做血氧仪开发有些年头了。今天咱们聊聊系统架构。

很多人一上来就盯着算法，或者纠结传感器选型。其实，先把整个链路理清楚，后面会省很多事。我个人习惯，拿到项目先画一张大图——从手指头到屏幕，信号是怎么走的。

1.1 完整信号链路：从指尖到屏幕

血氧仪的核心原理，说白了就是光学测量。你想想看，手指里动脉血和静脉血对红光和红外光的吸收率不一样。我们通过这个差异，算出SpO2值。

信号链路大致分四段：

• 光电转换：LED发光穿过手指，被光电二极管接收。光信号变成微弱的电流信号。
• 模拟前端调理：电流转电压，放大，滤波。去掉噪声，把信号拉到ADC能采样的范围。
• 模数转换与数字处理：ADC采样，然后做数字滤波、去基线漂移、提取脉搏波。
• 算法计算与显示：根据红光和红外光的交流分量比值，算出血氧饱和度。最后驱动OLED或LCD显示。

嗯，这里要注意：每一级都会引入误差。我在项目中遇到过，模拟前端的地没处理好，导致整个波形都是毛刺，算法根本算不准。

1.2 硬件模块划分

硬件上，我习惯把血氧仪拆成这几个模块。你照着这个思路去设计，不容易漏东西。

模块	核心器件	我的经验
传感器驱动	红光LED（660nm）、红外LED（940nm）、光电二极管	LED的驱动电流要精确控制，我曾经因为电阻选错，导致光强不够，信号弱得可怜。
模拟前端（AFE）	跨阻放大器、可编程增益放大器、低通滤波器	AFE芯片的布局要远离数字电路。我吃过亏，数字噪声串进来，波形上全是毛刺。
主控MCU	ARM Cortex-M0/M4，带ADC和DMA	建议选带硬件I2C和SPI的，省事。ADC采样率至少100Hz，否则脉搏波细节抓不住。
电源管理	锂电池、升压芯片、LDO	血氧仪对电源纹波敏感。我习惯在AFE供电前加一级LC滤波。
显示与交互	OLED屏、按键、蜂鸣器	OLED刷新率别太高，否则功耗扛不住。我一般控制在30Hz。

1.3 软件任务分解

软件这块，我习惯按实时性要求来分任务。说白了，就是哪些事必须马上做，哪些可以等等再做。

1.3.1 高实时性任务（中断级）

• ADC采样与DMA传输：定时器触发ADC，DMA自动把数据搬到内存。CPU几乎不花时间。
• LED时序控制：红光和红外LED要分时点亮，不能同时亮。我一般用定时器中断来切换。
• 按键消抖：用定时器中断做10ms消抖，别在主循环里傻等。

1.3.2 中等实时性任务（主循环或RTOS任务）

• 数字滤波与波形提取：IIR高通滤波器去掉直流分量，提取脉搏波。这个计算量不大，但每来一个采样点都要算。
• 心率计算：通过脉搏波峰值间隔算心率。我习惯用滑动窗口，窗口长度2秒。
• 血氧算法：计算红光和红外光的AC/DC比值，查表或公式算出SpO2。

1.3.3 低实时性任务（后台处理）

• 显示刷新：每秒更新30次就够了。别跟ADC抢CPU。
• 数据存储与通信：如果需要记录历史数据，或者通过蓝牙上传，放后台慢慢做。
• 低功耗管理：检测到手指离开，进入休眠模式。我一般用定时器唤醒，每100ms检查一次。

1.4 一个典型的软件流程图

我画个伪代码，你感受一下整体流程：

// 伪代码：血氧仪主循环
void main() {
    init_hardware();      // 初始化时钟、GPIO、ADC、DMA
    init_algorithm();     // 初始化滤波器系数、血氧查找表
    
    while(1) {
        // 1. 检查是否有新采样数据（由DMA中断设置标志）
        if (new_sample_ready) {
            process_digital_filter();   // 高通+低通滤波
            extract_pleth_waveform();   // 提取脉搏波
            calculate_hr();             // 计算心率
            calculate_spo2();           // 计算血氧
            new_sample_ready = 0;
        }
        
        // 2. 更新显示（每33ms一次）
        if (display_tick) {
            update_oled_screen();
            display_tick = 0;
        }
        
        // 3. 处理按键和低功耗
        handle_key_press();
        check_power_management();
        
        // 4. 进入休眠（等待中断唤醒）
        enter_sleep_mode();
    }
}

你看，这个结构很清晰。ADC采样靠DMA，不占CPU。主循环只做滤波和计算。显示和按键都是定时轮询。功耗也能控制住。

1.5 总结一下

系统架构这东西，说白了就是分而治之。硬件上把模拟和数字分开，软件上把实时和非实时分开。你照着这个思路去搭框架，后面调试会轻松很多。

我记得第一次做血氧仪时，没注意模拟前端的地回路，结果波形上全是50Hz工频干扰。后来花了两天时间重新布线，才把问题搞定。嗯，这些坑，后面章节我会一个个细讲。

下一章，咱们聊聊模拟前端的调试技巧。那个环节最容易出问题，也最考验耐心。