1. 所选任务介绍
- 本项目选题为：基于 ADPD2211 的心率/血氧检测模块设计与实现。
- 项目目标是设计一块小型光电检测模块，利用 660nm 红光 和 940nm 红外光 照射人体组织，通过反射式 PPG 方法采集脉搏波信号。
序号 | 器件名称 | 器件功能 | 厂商 | DigiKey 链接 |
|---|---|---|---|---|
1 | ADPD2211 | 光学接收器件，接收反射光并输出模拟信号 | Analog Devices | DigiKey 上有 ADPD2211ACPZ-RL 页面，型号为 ADPD2211 光学传感器；其评估板 EVALZ-ADPD2211 也可在 DigiKey 查询。(DigiKey) |
2 | VSMD66694 | 660 nm 红光 + 940 nm 红外双波长发射器 | Vishay | DigiKey 页面显示该器件为 940 nm / 660 nm 双波长发射器，典型电流 70 mA，封装为 2-SMD。(DigiKey) |
2. 设计方案介绍
- 本项目整体方案采用：双波长发光 + 光学接收 + ADC采样 + 软件处理 的设计思路。
模块由外部主控提供 3.3 V 电源和控制信号，主控通过 IR_EN 和 RED_EN 分别控制红外光和红光发射；ADPD2211 接收人体组织反射回来的光信号，并将光信号转换为模拟电信号，最终通过 ADC_IN 输出至外部主控 ADC 端口进行采样和后续算法处理。
板上资源框图
板上资源主要包括：
模块 | 组成器件/接口 | 功能说明 |
|---|---|---|
电源输入模块 | 3V3、GND | 为 ADPD2211、LED 驱动支路等提供工作电源 |
光发射模块 | VSMD66694 | 提供 660 nm 红光和 940 nm 红外光 |
光接收模块 | ADPD2211 | 接收组织反射光，并输出模拟信号 |
LED 驱动模块 | 两路开关管驱动电路 | 分别控制红光和红外光独立发光 |
外部接口模块 | IR_EN、RED_EN、PWDN_CTL、ADC_IN、3V3、GND | 与外部主控连接，实现控制、供电和数据采样 |
3. 设计的模块介绍
（1）ADPD2211 光学接收模块
- ADPD2211 是本项目的核心光接收器件。
- 其主要作用是接收 LED 经皮肤组织反射回来的光，并输出模拟信号供 ADC 采样。
- 适用于低噪声、低功耗、生物光学检测场景，常用于心率、PPG、血氧等应用。
（2）VSMD66694 双波长发射模块
- VSMD66694 集成了 660nm 红光 和 940nm 红外光 两个波长发射器。
- 红光主要用于血氧检测中的红光通道，红外主要用于心率和血氧检测中的红外通道。
- 使用一体式双波长器件有利于减小双波长间的几何误差，提高后续血氧测量一致性。
（3）驱动与接口模块
- 板上使用两路驱动开关管分别控制红光和红外发光。
- 6Pin 接口用于外接主控和供电。
- 接口定义清晰，便于模块化使用。
4. 原理图和 PCB 设计介绍
- 原理图设计采用模块化方式，包括：
- 光接收模块（ADPD2211）
- 双波长发光模块（VSMD66694）
- 发光驱动模块
- 模拟输出采样模块
- 外部接口模块
- 核心连接关系为：
IR_EN控制红外发光支路RED_EN控制红光发光支路PWDN_CTL控制 ADPD2211 工作/待机ADC_IN输出到外部主控 ADC3V3和GND为供电接口
- PCB 设计方面，采用了中间接收、周围发射的光学布局思路。
PCB 3D 效果图
PCB 3D 效果图如下图所示。整体 PCB 尺寸较小，ADPD2211 光接收器件布置在检测区域位置，VSMD66694 双波长发射器靠近光接收器件布置，便于形成稳定的反射式 PPG 光路。6Pin 接口布置在 PCB 边缘，便于与外部主控模块连接。驱动开关管、限流电阻和滤波电容围绕核心器件布置，使电路结构紧凑，满足小型化心率/血氧检测模块的设计需求。
5. 模块主要性能指标和管脚定义
主要性能指标
- 工作电压：3.3V
- 发光波长：660nm 红光 + 940nm 红外
- 检测方式：反射式 PPG
- 输出形式：模拟输出，经 ADC 采样
管脚定义
信号名称 | 连接对象 | 功能说明 |
|---|---|---|
IR_EN | 红外 LED 驱动支路 | 控制 940 nm 红外光发光 |
RED_EN | 红光 LED 驱动支路 | 控制 660 nm 红光发光 |
PWDN_CTL | ADPD2211 | 控制 ADPD2211 工作或待机 |
ADC_IN | 外部主控 ADC | 输出模拟采样信号 |
3V3 | 电源输入 | 为模块供电 |
GND | 地 | 系统参考地 |
6. 心得体会
- 通过本项目，我认识到生物光学测量不仅仅是电路设计问题，更是硬件、光路、机械结构和软件算法共同决定的系统工程。
后续建议
- 下一版 PCB 应提前加入隔光墙和泡棉安装位置；
- 建议进一步优化红光通道，完善双波长采样；
