fft算法的作用_FFT原理通俗易懂

用CW32L就能做一个指夹血氧仪，看完开源资料后，我悟了 　　一个外包项目，悬赏3000。 　　要求：用指定芯片做一个指夹式血氧仪。

　　你猜项目成本可以被压缩到多少？ 　　本次的项目作者，是3个大学生。

　　可别以为大学生经验少！ 　　他们不但将成本压缩到了三位数，同时还保证了质量，做出了产品级指压式血氧仪。

　　最近，他们将项目进行了开源。 　　他们是如何实现产品级功能的？是如何进一步压缩成本的？ 　　我们结合他们发布的开源资料，一起看看！ 　　项目功能 　　采用0.96inch TFT彩屏显示。锂电池供电，可充电。低弱灌注性能，最低可达到0.2%。可保证在信号弱、儿童、失血多、肢体冰凉的低灌注的患者进行准确测量。光强自动调节。可根据病人的手指大小自动调节发射光强，保证信号质量更好，功耗更低，可以使用不同大小的手指、不同皮肤颜色。优秀的环境光抵消功能。可以在室内以及光线较强的临床环境使用。可测量血氧饱和度SpO2、脉率PR、灌注指数PI。可进行屏幕方向翻转。5s快速出测量结果。血氧饱和度和脉率超限报警。无手指自动关机。电池电量报警以及电池电量低自动关机。 　　那么，想要在压缩成本的基础上，实现这些功能，该如何设计硬件代码？如何选型器件？ 　　在那之前，我们得先理解它的工作原理！ 　　血氧仪工作原理 　　血液中，血红细胞的含氧血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb），对红光（660nm）和红外线（900nm）有不同的吸收能力。还原血红蛋白（Hb）吸收的红光较多，红外线较少。含氧血红蛋白（HbO2）吸收的红光较少，红外线较多。 　　指夹式血氧仪的工作原理就是： 　　在设备的同一位置，设置红光LED和红外线LED灯，测量血氧饱和度。 　　当光线从手指的一面穿透到另一面，就能检测两种血红蛋白对不同波长的光吸收的区别，所测出来的数据差被光敏二极管接收后，可产生对应比例的电压。就可以测出实际含氧量下，血氧饱和度最基本的数据和比值。 　　实际上要做到更高的精度，除了两个波长以外还要增加，甚至高达8个波长。 　　本项目为两个波长。 　　硬件设计思路 　　血氧仪由电源板和主控板组成，两块板子尺寸都不超过10cm*10cm，可以在嘉立创EDA免费打板，这样一来，就省下了PCB电路板的钱。 　　1.电源板 　　电源部分的设计，需要实现USB外接供电、电池供电、电池充电等功能。 　　因此整体架构包括——电源路径管理及电池充电电路、5V供电电路、3.3V供电电路。 　　电源板就主要围绕这三个部分，讲解设计思路。

　　1.1 电源路径管理及电池充电电路 　　电源路径管理电路采用P-MOS作为开关，通过G端电压与S端电压关系，实现USB供电与电池供电的动态切换功能。 　　电池充电电路采用TC4056A芯片作为主控，依托其可编程充电电流控制、充电状态指示等功能，实现单节锂电池充电功能。 　　USB接口增加过压、过流保护电路设计，防止插入瞬间尖峰电压对后级电路的冲击。 　　增加D3二极管的目的是加速P-MOS导通，防止因供电方式切换，导致主控掉电复位等问题。 　　原理图设计如下。

　　1.2 直流5V供电电路 　　直流5V供电电路采用MT3608芯片搭建Sepic电路，确保在电池电压下降时也能稳定提供5V电压。 　　原理图设计如下。

　　1.3 直流3.3V供电电路 　　直流3.3V供电电路采用AMS1117-3.3芯片构建LDO降压电路，稳定提供3.3V电压。 　　原理图设计如下。

　　1.4 PCB设计 　　

　　2.主控板 　　主控板包括MCU电路、发射电路、接收电路、按键电路、蜂鸣器电路、TFT显示屏电路。 　　这六部分用于实现血氧仪主要功能。 　　下面也主要围绕这6个部分，讲解设计思路。 　　2.1 MCU电路 　　MCU电路采用CW32L031C8T6作为主控芯片，设计BOOT电路、SWD烧录接口及复位按钮（不焊接），受空间限制，取消外部晶振电路。 　　原理图设计如下：

　　2.2 发射电路 　　发射电路采用“RS2105+RS622”设计方案。由RS2105电子开关芯片构成双路开关电路，用于控制发射时序；由RS622芯片所包含的两路运算放大器搭配N沟道MOS管形成恒流源电路，通过PWM信号控制电流大小，以实现控制发射信号强弱的目的。 　　采用“660nm红光+900nm红外光”的双波长发射管，内部反向并联连接，通过上述H桥电路控制发射时序和发射功率。 　　原理图设计如下：

　　2.3 接收电路 　　接收电路采用RS622双路运放芯片作为核心。前级与200KΩ电阻及电容构成跨阻放大电路，采集并放大“直流+交流”混合信号；后级通过负反馈200KΩ电阻构成信号放大电路，放大交流信号； 　　前后级之间通过电容耦合，并与电阻构成高通滤波器，有效滤除直流信号。 　　原理图设计如下：

　　2.4 按键电路 　　独立按键设计，采用1mm超薄按键，通过并联电容构成硬件消抖电路，通过电阻接入MCU的PB03引脚，按键按下为低电平（低电平有效）。 　　原理图设计如下：

　　2.5 蜂鸣器电路（当前版本PCB受空间限制已取消） 　　蜂鸣器电路采用2KHz无源蜂鸣器作为核心件，以N沟道MOS管作为开关，通过输出一定频率的PWM信号驱动蜂鸣器发声。 　　原理图设计如下：

　　2.6 TFT显示屏电路 　　TFT显示屏电路用于驱动0.96寸全彩LCD显示屏。 　　设计8P抽屉式下接FPC接口，用于连接带软排线接口的显示屏。同时以PNP三极管作为开关，通过MCU输出一定占空比的PWM信号实现屏幕背光控制。 　　原理图设计如下：

　　2.7 PCB设计 　　

　　软件说明 　　软件部分，虽然需要很多的时间成本，但不怎么需要花钱。 　　而作为有彩屏“智能交互”功能的“产品”，软件部分尤为重要。 　　本章说明一下这三个部分：TFT显示屏、FFT算法实现、FFT结果运用。 　　1. TFT显示屏（2部分） 　　1.1 LCD初始化 　　1.2 LCD主要功能函数 　　2.时序控制 　　控制时序说明：每次发射（采样）包括四个阶段（IR发射、停止发射、RED发射、停止发射）每阶段3ms，共计12ms；之后为27ms的延迟（停止发射）；上述为一个完整发射循环，每个循环为39ms；完整发射（采样）周期包括128次发射循环，共计4.992秒。

　　代码如下：（在BTIM1定时器中断回调函数中实现） 　　3.算法设计（3部分） 　　3.1 FFT算法原理 　　FFT是一种DFT的高效算法，称为快速傅立叶变换（fast Fourier transform）。 　　DFT的运算如下： 　　

　　

　　FFT算法可分为按时间抽取算法和按频率抽取算法。这种方法计算DFT对于X（K）的每个K值，需要进行4N次实数相乘和（4N-2）次相加。对于N个k值，共需N*N乘和N（4N-2）次实数相加。 　　改进DFT算法，减小它的运算量，利用DFT中的周期性和对称性，使整个DFT的计算变成一系列迭代运算，可大幅度提高运算过程和运算量，这就是FFT的基本思想。 　　3.2 FFT算法实现 　　（1）计算三角函数表 　　（2）FFT函数 　　3.3 FFT结果运用 　　（1）：直接用某个频率点的值，可以做音频频谱强度显示 　　第n个频率点的值是数组上的Fft_Real[n]和Fft_Image[n] 　　（2）：求某个频率点的模 　　模值=根号(实部平方+虚部平方)，即sqrt((Fft_Real[n]*Fft_Real[n])+(Fft_Image[n]*Fft_Image[n])) 　　（3）：清除特定频率的分量，一般用于数字滤波算法 　　Fft_Real[0]=Fft_Image[0]=0; //去掉直流分量，即将第0项的值清零 　　Fft_Real[63]=Fft_Image[63]=0; //要去除某个频率的分量，可将该频率对应的数组项的值清零 　　Fft_Real[0]是直流分量。Fft_Real[1]是最低频率点，也是最小频率分辨率值 　　说明：分辨率=采样率/采样点数N，波形峰值大小=模值/(N/2)， N为采样点数。

　　很好，搞定了软硬件，再最后盘一下完整的选型+制作+测试过程吧！ 　　相信看过后，在我公布成本价前，你心里也会有一个大概的成本价了！ 　　制作过程 　　1.设计外观 　　外观设计参考主流品牌外壳方案。 　　用3D打印的方式制作外壳，尺寸小，成本也低。

　　2.核心物料选择 　　主控采用CW32L031C8T6芯片，单买111个。

　　血氧红外对管分别采用：660-905nm双波长发射管PD90接收管 　　其中发射管正接可发射905nm红外光，反接则可发射660nm可见红光。

　　TFT显示屏适合人机交互，我采用0.96寸彩屏，支持横竖屏两种UI展示。



　　3.PCB制作与焊接本项目的PCB尺寸在嘉立创免费打样范围内。本次焊接主要通过加热台，因为大量采用了0402及0603贴片封装件。贴片焊接完成后，再通过烙铁手工焊接排针、发射管、接收管、USB接口等直插件。对于LQFP封装的芯片，如果引脚连锡，可以在引脚部位涂一点助焊剂，然后使用小刀口的烙铁沿着引脚自内向外的方向多刮几下，即可顺利去除多余的焊锡。

　　4.功能测试与参数调试 　　利用逻辑分析仪对发射管控制信号进行了测试。从图中可以看出：当第0通道为高电平（开关开启）时，第3通道输出PWM波形，然后所有通道关闭；当第1通道为高电平（开关开启）时，第2通道输出PWM波形，然后所有通道关闭，如此持续循环。 　　上述信号符合设计方案要求。 　　具体时序控制逻辑详见软件设计部分。

　　在弱光环境下，通过示波器测量接收管接收到的信号波形如下所示。

　　进一步放大后，得到如下信号波形，符合预期采样效果。

　　将上述接收波形，经放大、ADC采样、滤波等处理后，得到一系列采样值。 　　将这些采样值，通过EXCEL处理并可视化后，得到如下折线图。 　　在AC信号图上可以清晰看出脉冲信号的波形。



　　以128个采样数据为一组，经过FFT及相关公式计算，最终可以获得脉搏、PI及SPO2%等计算结果，并在显示屏上显示出来。

　　全部算下来，项目的总成本仅100。

　　怎么样，是不是感觉这3位大学生非常优秀？未来可期呢？ 　　据说团队中的两人正在参加电赛，预祝他们此次比赛顺利！

　　文章的最后，小编想说，希望这样的外包项目活动能多多举办，让刚好想做项目的人，有目标，有作品，还能有奖金回血，一举三得！

作者本人的项目总结 　　参考资料： 　　[1]基于CW32L系列MCU的指夹式血氧仪 – 嘉立创EDA开源硬件平台 　　[2]星火计划_外包赛道_每周更新外包项目_奖金2000-8000不等 　　— 完 — 　　嘉立创EDA·知乎号 　　我，看一手优质开源项目