受全球疫情持续发酵的影响，对血氧计的需求也出现了爆炸性增长，紧随其后的是医用产品，如前端温度枪和呼吸机。由于血氧饱和度是本次新发肺炎的重要诊断指标之一，所以可测量血氧饱和度的血氧仪的需求量将短期迎来3-5倍的增长。与此同时，业内一些人认为，疫情发生后，未来几年对医用血氧监测设备的需求预计将继续大幅增长，增长率预计将保持在25%至30%之间。

血氧计的原理

一般来说，血氧计可分为两种类型。一种是医院使用的住院设备，通常集成在生命体征监测仪上，通过血氧探头采集血氧数据。另一种是在医院外使用的小型手指夹式血氧计，它可以直接夹在手指上几秒钟来检测血氧数据。

血氧仪一般由一个微处理器、存储器(EPROM与RAM)、两个控制LED的数模转换器、对光电二极管接收的信号进行滤波与放大的器件、将接收信号数字化以提供给微处理器的模数转换器等器件组成、发光二极管和光电二极管被放置在一个小探头中，与病人的指尖或耳垂接触。其中，脉搏血氧仪一般还包括一个小型液晶显示器。

脉搏血氧计

(来源：摄影网络)

血氧计的主要测量指标是脉搏率、血氧饱和度和灌注指数。以一个小手指夹血氧仪为例，其原理是：通过依次驱动一个红色发光二极管(660纳米)和一个红外发光二极管(910纳米)，当血红蛋白不含氧分子时，蓝线表示接收管对还原血红蛋白的响应曲线。从图中可以看出，还原血红蛋白对660纳米红光的吸收率较强，而910纳米红外光的吸收长度较弱。红线表示当血红蛋白和带有氧分子的红细胞存在时，接收管对氧合血红蛋白的响应曲线。从图中可以看出，660纳米红光的吸收率相对较弱，910纳米红外光的吸收率相对较强。

在血氧测量中，还原血红蛋白和需氧血红蛋白之间的差异是通过检测两种不同波长的光吸收之间的差异来测量血氧饱和度的最基本数据。在血氧测试中，660纳米和910纳米这两个最常见的波长实际上需要达到更高的准确度。除了这两种波长之外，它们甚至需要增加到8种波长。主要原因是除了还原血红蛋白和氧化血红蛋白外，人类血红蛋白还有其他血红蛋白。我们经常看到碳氧血红蛋白。波长越多，血氧计的准确度越高。

血氧计芯片设计方案清单。

为了更好地了解血氧计市场，边肖组织了市场上血氧计芯片的主流设计方案，供读者参考(如有不足，请补充)。

01

瑞萨电子

瑞萨电子血氧仪解决方案搭载了高集成度传感器模块OB1203、高精度模拟的RA2A1 MCU优化了手持式血氧计的应用特性，以实现性能和功耗之间的完美平衡。Resa Electronics RA2A1微控制器为该解决方案提供了一整套信号调理和测量模拟功能。其模拟功能包括16位合成孔径雷达模数转换器、24位-模数转换器、比较器、运算放大器和数模转换器。该系统采用锂电池充电系统，结合了16位模数转换器、运算放大器和脉宽调制。

Resa电子血氧计解决方案

(照片来源：Resa电子官方网站)

同时，瑞萨电子血氧仪解决方案采用了单电池锂电子USB充电设计。凭借RA2A1 ARM微控制器强大的仿真功能，无需额外的元器件，即可简单实现锂离子电池的USB充电。系统内部的电压和电流可以通过反馈进行实时监控，充电模式可以根据需要进行调整。

Resa电子血氧仪解决方案中搭载的高度集成传感器OB1203是业界最小的光学生物传感器模块，具有用于反射式光电容积描记术的完全集成的生物传感器。心率、血氧饱和度、呼吸频率和心率变异性可以通过适当的算法来确定。OB1203将光源和驱动器集成在单个光学优化封装中。主单片机RA2A1可以通过IIC通信直接采集PPG数据。

同时，该方案还提供了10秒后自动断电的低功耗设计，无需手指接触。结合RA2A1单片机和生物传感器模块OB1203的低功耗特性，进一步优化了整个系统的功耗。

Resa电子血氧计解决方案

(照片来源：Resa电子官方网站)

瑞萨电子血氧仪解决方案的特点；

1、单电池锂离子USB充电

简单实现了锂离子电池的USB充电

可以实时监控电压和电流。

2、低功耗系统

低功耗单片机RA2A1、低功耗生物传感器模块OB1203

没有手指接近10秒，自动切断电源

3、容易控制

I2C与OB1203和有机发光二极管的通信

OB1203在接近时触发一个中断，产生新的PPG数据，FIFO即将满。

模拟和脉宽调制控制电池充电

4、测量范围

血氧饱和度：70%~100%

脉搏：25bpm~200bpm

02

德州仪器

德州仪器脉动血氧计方案的交流/DC适配器子系统将交流电源线转换为隔离的稳定DC输出。传感器前端子系统驱动红色/红外led，并将光电二极管输入转换为缓冲的、获得的电压信号，供系统处理器处理。

德州仪器脉搏血氧计计划

(照片来源：德州仪器官方网站)

德州仪器脉搏血氧计方案的特点；

1.集成的发光二极管驱动器和光电二极管信号调理电路可以高精度检测光吸收，从而简化设计并帮助最终产品保持紧凑的外观。

2.高效的电源管理解决方案有助于延长电池寿命，从而减少用户更换电池或充电的频率。

3.低功耗微控制器，可以处理传感器，以测量和计算氧饱和度和心率。

03

恩智浦

恩智浦提供超低功耗MCU，支持LCD显示器，适用于便携式脉搏血氧仪，可跟踪病人血液中的氧含量。

这些设备为监测血液中氧饱和血红蛋白的百分比提供了一种简单的非侵入性方法。血氧饱和度和心率显示在液晶显示屏上。

脉搏血氧计可用作独立的便携式设备或大型患者监护系统的一部分。

恩智浦脉搏血氧计

(照片来源：恩智浦官方网站)

恩智浦脉搏血氧计套件

(照片来源：恩智浦官方网站)

04

ADI

ADI公司为脉搏血氧仪设计提供种类齐全的高性能线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术.

ADI脉搏血氧仪设计

(照片来源：ADI官方网站)

脉搏血氧仪包括发射路径、接收路径、显示和背光、数据接口和音频报警。发射路径包括红色发光二极管、红外发光二极管和用于驱动发光二极管的数模转换器。接收路径包括光电二极管传感器、信号调理、模数转换器和处理器。

脉搏血氧计系统的设计考虑和主要挑战：

在设计脉搏血氧计系统时，需要解决许多难题，如低血流灌注、运动和皮肤湿度、杂散光干扰、血红蛋白和高铁血红蛋白干扰等。

1.低血液灌注(小信号水平)。光电二极管测量需要具有宽动态范围和低噪声增益的信号调理，以便捕捉脉冲事件。发射和接收路径需要高质量、低噪声的发光二极管驱动电路(带高分辨率数模转换器)和高精度模拟前端电路(带高分辨率模数转换器)。

2.锻炼和皮肤湿度。运动造成的伪影可以通过软件算法解决，也可以通过加速度计(如ADXL345)检测和解决。

3.杂散光干扰。光电二极管用于响应红光和红外光，这两种光很容易受到环境光的干扰。因此，滤除红色和红外目标信号的算法非常重要，这意味着信号处理更加复杂。在这种情况下，需要使用具有更高信号处理能力的数字信号处理器。

4.羧基血红蛋白和高铁血红蛋白。一氧化碳(一氧化碳)很容易与血红蛋白结合，使血液更像红色的血红蛋白，从而产生一个虚拟的高血氧值。血红素组中的铁处于异常状态，不能携氧(Fe 3代替Fe 2)，导致血红蛋白减少和血氧饱和度读数过低。使用更多波长可以提高精度，但这需要更高性能的数字处理DSP，而处理时间至关重要。

05

瑞纳捷电子

Renegade Electronics使用时分复用来驱动光电二极管，并定期点亮两个发光二极管来检测同一传输路径上的两个光信号。为了获得两个独立的信号，同时利用与发光二极管驱动脉冲同步的控制信号进行控制，利用保持电路实现信号分离，从而分别获得红外光和红光两种信号。LED驱动时序脉冲和采样保持电路切换时序脉冲都由RJM8L151的GPIO提供.

手指夹式脉搏血氧计方案

(照片来源：叛徒微信公众号)

模拟信号处理单元完成光电二极管采集信号的处理，包括信号转换、采样保持、放大、滤波和补偿等功能。由于光电二极管输出的信号是电流信号，因此必须先将其转换为电压信号，然后才能由后续电路进行处理。此外，光电二极管工作在反向偏置状态，结电阻大，输出电流小。因此，应选择输入阻抗较高的运算放大器作为输入电压转换的时间间隔。

电流-电压转换电路的输出是两种光的时分复用信号。为了分离两种光的信号，应该使用两个独立的采样保持电路。RJM8L151的GPIO应用于控制和切换两个采样保持电路，并应与发光二极管驱动脉冲的控制脉冲同步。

由于分离出的交流信号非常微弱，为了消除DC分量和高频干扰，电路中采用了带通滤波器来处理红色和红外信号。带通滤波器由高通和低通两部分组成，其中高通部分采用RC滤波网络对DC分量进行滤波，截止频率设置为0.23赫兹，低通部分采用截止频率为0.48赫兹的二阶低通滤波电路

Renegade Electronics推出了RJM8L151系列，这是一款超低功耗的微控制器，非常适合电池供电的物联网终端设备。RJM8L151系列不仅具有出色的工作性能和待机功耗，而且内置12位高精度逐次逼近型模数转换器和双通道多功能比较器，非常有利于微弱信号传感器的高精度实时检测。RJM8L151丰富的外设接口使扩展各种通信模块和功能模块更加方便。RJM8L151基于增强型哈佛架构的中央处理器核心和多级流水线指令系统。相同时钟频率的处理性能是传统8051的3倍。采用Keil uVision或IAR集成开发环境来开发和调试应用程序代码。

RJM8L151系列单片机硬件框图

(照片来源：叛徒微信公众号)

雷吉娜的电子手指夹血氧仪方案的特点；

1.RJM8L151的正常工作电压范围为1.62伏至5.5伏，非常适合2节或3节干电池的直接供电，省去了额外的LDO电路。此外，RJM8L151的待机电流低至0.5uA，不仅可以保持内部实时时钟的正常时序，还可以保持静态随机存取存储器数据不变。这种性能可以大大降低系统对电池容量和尺寸的要求。

2.RJM8L151从低功耗状态下唤醒不到5us，可实现快速睡眠、快速唤醒和低占空比工作，从而大大降低系统功耗。

3.RJM8L151有四个时钟源：内部高速时钟、内部低速时钟、外部高速时钟和外部低速时钟。RJM8L151的时钟控制模块通过对这些时钟源的灵活配置和分频，实现不同的功耗和性能要求。

3.在模拟电路方面，RJM8L151采用7通道12位逐次逼近型模数转换器，采样转换速率最高可达1MSPS，支持外部基准电压输入。

4.RJM8L151设计了丰富的时序模块，包括两个16位基本定时器和一个16位通用定时器，支持输入捕捉/输出比较/脉宽调制输出功能。

06

英锐恩

模拟开关RS2105的功能主要是开关红色发光二极管和红外发光二极管灯，它们是时分复用的，并以一定的频率进行调制。这需要一个运算放大器芯片(如RS321)与微控制器中的数模转换器配合产生一个恒流输出信号。因为如果要使发光二极管灯以恒定电流工作以获得相对稳定的波长，发光二极管灯的发射电流通常需要达到几十毫安，所以模拟开关的导通电阻需要1。该方案中使用的RS2105模拟开关的导通电阻为0.6。

英国瑞恩家用手指夹血氧计示意图

(照片来源：艾琳官方网站)

在光敏接收端，运算放大器RS622用于实现光电转换，这要求运算放大器的输入偏置电流Ib为pA电平。此外，运算放大器的带宽需要超过5兆赫，以满足快速响应。运算放大器的低噪声系列可以更好地提高系统的分辨率。在电源拓扑中，一种是使用两个干电池(3V)，然后将它们升压至5V，然后降低系统每个电路的电压。另一个装有锂电池，可用于循环充电。低功耗LDORS3236适用于两种拓扑系统。

07

ZLG立功科技

主控采用华大半导体的HC32L系列，芯片采用Cortex M0+内核的主频率范围为32-256 K闪存，4-32 K随机存取存储器，电源范围为1.8~5.5V，深度睡眠时电流仅为0.5uA，延长了电池的使用寿命，非常适合便携式产品。

ZLG立功科技便捷式氧气仪监控方案

(照片来源：ZLG巩俐科技微信公众号)

蓝牙模块作为单片机和手机之间的通信桥梁，将单片机采集的数据传输给手机等医疗设备，从而对数据进行记录和分析。蓝牙模块采用新一代BLE5.0透明传输模块，功耗低、成本低、体积小。点阵液晶显示器主要用于实时显示采集的数据。

BLE5.0透明传输模块

(照片来源：ZLG巩俐科技微信公众号)

BLE5.0透明传输模块介绍：

1.有效载荷数据传输速率可达94KB/s；

2.支持两种低功耗模式。在低功耗2模式下，平均电流仅为250nA；

3.LE安全连接支持BLE4.2，以防止未经授权的第三方设备窃听；

4.通过串口与单片机进行双向通信；

5.内置丰富的AT指令集，操作简单，缩短了用户开发周期，加快了产品市场；

6、适用于智能家具、仪器仪表、医疗保健、运动测量、汽车电子等领域。

08

正久电子

正久电子血氧仪设计方案采用航顺芯片ARM Cortex-M3的32位微处理器HK32F103C8T6，处理器包含160兆赫兹高速振荡器，20KB静态随机存取存储器，64KB闪存，以及多达37个可以中断唤醒的输入输出端口。丰富的外围接口，包括：两个独立集成电路、两个高速串行接口、三个通用串行接口、总线2.0全速接口、总线控制器。

正久电子氧气计的设计方案

(照片来源：正久微信公众号)

在该方案中，有机发光二极管通过I2C接口连接到主控HK32F103C8T6，显示接口连接各种数据。SPDI34通过高速串行接口连接到主控制器HK32F103C8T6。主控单元读取SPDI34数据，并在相关处理后显示在有机发光二极管上。蓝牙模块通过USART接口与主控HK32F103C8T6相连，通过蓝牙模块，手机、平板电脑等设备可以读取主控处理的相关血氧、脉率等数据。

正九电子氧气计方案的特点；

1.该产品采用双色有机发光二极管显示，有多种显示模式。

2.一键测量；

3.蓝牙数据传输；

4.超低功耗，两节AAA电池可持续40小时以上；

5、电池低电压报警；

6.自动关机：自动关机，不运行8秒钟；

7、体积小、重量轻、携带方便；

09

艾派克

艾派克自主研发的APM32F103系列MCU具有低功耗、高性能和快速移植的特点，可以帮助客户加快研发，提高产品性能，缓解血氧计等医疗电子设备的供需压力。

采用最新版本的Arm Cortex-M3内核，最高工作频率为96兆赫，闪存高达512千字节，SRAM高达128千字节，内置浮点运算单元。在信号速度和精度方面具有强大的运算处理能力，可以在很短的时间内读取和计算相应的测量数据，并通过驱动液晶显示血氧值。

历元血氧计程序

(照片来源：亚太经合组织微信公众号)

集成实时时钟、脉宽调制、SDIO、增强型外部存储器控制器(EMMC)、I2S、高速串行接口、主从式I2C、通用串行总线、通用串行总线、控制器局域网(CAN)等数字外设和通信资源。优化升级的USB2.0 CAN支持系统时钟为96MHz时USB和CAN的同时使用，有利于实现血氧计的多样化控制和通信要求。

支持三种超低功耗工作模式：待机和睡眠。待机功耗在3uA以内，可有效延长电池使用寿命，实现持久待机。IO驱动能力高达25mA，满足血氧计在功耗和可靠性方面的性能要求。三个12位、1美国转换时间模数转换器、12通道直接内存存取控制器和多达112个快速输入/输出端口可以快速采集数据，提高血氧测量的灵敏度和准确度。

资料来源：辛大师