优秀毕业设计（论文）：数字式脉搏血氧仪设计

毕业设计(论文)

数字式脉搏血氧仪设计

系 别 专 业 班 级 姓 名 指导教师

自动化工程系 生物医学工程

50616 常衍春 贺忠海

2010 年 6 月 10 日

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第I页

摘 要

脉搏血氧仪是一种可连续、无创、方便地检测动脉血氧饱和度的仪器。由于其在系统设计和信号处理方法上存在的缺陷,使它在测量的精度、重复性、稳定性等方面还存在需要探讨和完善的地方。本课题提出了基于动态光谱的脉搏血氧测量原理，并且在该原理的指导下，设计了一套数字化脉搏血氧检测系统。系统采用纯数字芯片设计，提高了系统稳定性和重复性。系统采用数字滤波和数字解调的方法，用软件提取光电脉搏波信号。并在动态光谱原理基础上，根据推导出的算法，获得了高精度的脉搏血氧饱和度测量值。

本课题的创新与主要工作体现在以下方面：

（1）通过分析传统脉搏血氧测量原理引起的测量误差，在理论上推导出实现高精度脉搏血氧测量的方法——基于动态光谱方法的脉搏血氧测定法，这种方法在原理上可以消除由于测量条件及个体差异等多方面因素对测量精度的影响。

（2）针对传统的脉搏血氧饱和度检测系统中因模拟电路复杂而引起的系统稳定性和重复性差的问题，本文提出了数字化的设计思想，根据动态光谱测量原理采用现代微处理器、集成电路技术，设计了脉搏波信号的检测、采集及处理系统。提高了系统稳定性和可重复性，降低了由于模拟电路不稳定所造成的系统测量误差。

（3）采用数字解调的方法对采样的数字信号解调为双路光信号，并用软件提取光电脉搏波。在动态光谱理论的基础上，对光电脉搏波信号进行时域频域转换，所得到基波分量用于血氧饱和度计算，获得了高精度的脉搏血氧饱和度测量值。

本系统在硬件方面设计了以MSP430为核心的信号检测和采集系统，并结合了双波长频分法和过采样技术，在提高分辨率和信噪比的同时，大大简化了硬件电路。并利用数字滤波和数字解调的数据处理方法，完成双路信号分离。研究了容积脉搏波的软件提取和检出，并在通过傅立叶变换得到光电脉搏波的基波分量，用于血氧饱和度计算。

关键词：血氧饱和度，脉搏血氧测定法，动态光谱，硬件设计，软件设计

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第II页 Digital pulse oximeter design

Author：Chang Yanchun

Tutor：He Zhonghai

ABSTRACT

Pulse oximetry is a reliable, arterial, noninvasive easy continuously determining oxygen saturation to use means in virtually of any setting. Because there are still several drawbacks in the design of the pulse oximetry system and its signal processing, the system needs improving in accuracy, repetition and stability. This system is proposed based on dynamic spectroscopy measuring principle, and in this principle, under the guidance of a set of digital pulse oximetry test system. System adopts digital chip design to improve the system stability and repeatability. System using digital filter and digital demodulation method, using photoelectric pulse wave signal extracted by software. And with dynamic spectroscopy, based on the principle of the algorithm is deduced, the pulse of the high-precision measurements oxygen saturation. This subject mainly embodies the innovation and work in the following respects: First, the measuring principle of the pulse oximeter is based on traditional test method. Its accuracy is not gratifying due to various factors influencing the measurement result, such as the principle, measuring condition and individual discrepancy. In this system a new pulse oximetry based on dynamic spectroscopy (DS) is introduced, it can promote the accuracy of the pulse oximeter evidently. The dynamic spectroscopy method is able to eliminate the interference of the individual discrepancy and measuring condition in principle. This new method can eliminate the measurement error of pulse oximetry theoretically.

Secondly the pulse of the traditional testing system of oxygen saturation because of complex analog caused poor stability of the system, this system puts forward the design thought according to the digitization of dynamic spectroscopy measurement principle adopts modern microprocessor, integrated circuit technology, the design of the pulse wave signal detection and collection system. We use the microprocessor driven directly by certain wavelengths of light emitting diode; receiving tube will receive light signals into electrical signals, high frequency converter by the direct current, pulse wave signal carry photoelectric instead of digital signal, the hardware circuit and AC drive circuit source separation circuit. Reuse digital filter to replace filter circuits, analog circuits to save a part of signal and system

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this filter system stability and repeatability, reduced due to the instability of analog circuit is caused by the measurement error of the system.

Finally, using digital demodulation method to sample signal demodulation of digital signal, the dual light for extracting photoelectric pulse wave by software. On the basis of the theory of dynamic spectroscopy, conversing photoelectric pulse wave signal from frequency to division and the component be used in the blood oxygen saturation calculation.

In this system, the hardware design MSP430 as the core to signal detection and collection system, combining with the dual wavelength frequency division method of sampling technology and in improving the resolution and signal-to-noise ratio, greatly simplified the hardware circuit. Use digital filter and digital demodulation of the data processing method to double signal separation. Study the volume of pulse wave extraction from the software, and through a Fourier transform of photoelectric pulse wave get component for the blood oxygen saturation.

KEY WORDS： Oxygen saturation, pulse oximetry, dynamic spectroscopy, hardware design, software design

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目 录

1 绪 论 ........................................................................................................................ 1

1.1 血氧饱和度的概念及其生理意义 ................................ 1 1.2 脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程 .............................. 2 1.3 脉搏血氧饱和度测量仪的现状 .................................. 3 1.4 本系统的研究意义及主要内容 .................................. 4 2 脉搏血氧饱和度的测量理论基础及动态光谱理论 ................................................ 6

2.1 光电容积脉搏波的产生原理 .................................... 6

2.1.1 脉搏波的产生原理 ...................................... 6 2.1.2 光电容积脉搏波描记法（PPG）原理 ....................... 7 2. 2 脉搏血氧饱和度测量的理论基础与算法 ......................... 8

2.2.1 郎伯－比尔(Lambert-Beer)定律及应用 .................... 8 2.2.2 离体血氧饱和度测量原理 ................................ 9 2.2.3 传统脉搏血氧测定法 ................................... 12 2.3 基于动态光谱的脉搏血氧检测原理 ............................. 13

2.3.1 修正的朗伯－比尔定律 ................................. 13 2.3.2 动态光谱理论 ......................................... 13 2.3.3 基于DS的脉搏血氧测量原理 ............................ 14 2.3.4 基于DS的脉搏血氧算法与传统算法精度比较 .............. 15

3 基于DS的脉搏血氧检测系统的数字化实现方法 ................................................ 17

3.1 传统脉搏血氧仪测量系统回顾 ................................. 17 3.2 基于DS的脉搏血氧测量系统的系统硬件组成 .................... 18

3.2.1 总体设计思想与系统构成 ............................... 18 3.2.2 基于MSP430系统平台的外围电路设计 .................... 19

3.2.2.1 光源及其驱动电路的设计 .......................... 19 3.2.2.2 电路板及各芯片的电源设计 ........................ 22 3.2.2.3 串口设计及外USB座的设计 ........................ 23 3.2.2.4 外接存储设备设计及锂电池充电管理设计 ............ 24 3.2.2.5 液晶模块及其驱动电路设计 ........................ 26 3.2.3 基于MSP430平台系统的设计 ............................ 26 3.3 基于DS的脉搏血氧仪的数字化测量方法 ........................ 31

3.3.1 双波长频分测量法及信号的数字解调 ..................... 31

4 系统软件设计 .......................................................................................................... 34

4.1 Embedded Workbench开发平台和调试器C-SPY的简单介绍 ....... 34 4.2 初始化程序 ................................................. 35 4.3 主程序设计 ................................................. 37 4.4 按键和显示程序设计 ......................................... 39 4.5 系统误差分析 ............................................... 41 总结 ................................................................................................................................ 43

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第V页 致谢 ................................................................................................................................ 44 参考文献 ........................................................................................................................ 45 附录 ................................................................................................................................ 46

附录A：英文翻译 ................................................. 46 附录B：系统整体原理图设计 ....................................... 50

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1 绪 论

1.1 血氧饱和度的概念及其生理意义

足够的氧是所有生命活动的物质基础。生命的基本过程就是机体细胞摄入氧排出二氧化碳产生能量的过程。人体吸入氧气，在肺部的肺泡内与毛细血管进行气体交换。氧分子和血红蛋白分子能进行可逆的结合，血红蛋白由氧合血红蛋白(HbO2）和还原血红蛋白(Hb)组成。当组织得不到充足的氧，或不能充分利用氧时，组织的代谢、机能、甚至形态结构都可能发生异常变化，这一病理过程称为缺氧。就整体而言，成年人体需氧量约为250ml/min，而体内贮存的氧仅1.5L。一旦呼吸心跳停止，数分钟内就可能死于缺氧。缺氧是临床极常见的病理过程，是多种疾病引起死亡的最重要的直接原因。 常用的血氧指标有：

氧分压:为溶解于血液的氧所产生的张力。动脉血氧分压正常约为100mmHg，取决于吸入气体的氧分压和肺的呼吸功能，静脉血氧分压正常40mmHg，它可反映内呼吸状况。

氧容量:为l00ml血液中血红蛋白(Hb)为氧充分饱和时的最大带氧量，应等于l.34mL/gHb(g%)，它取决于血液中Hb的质(与氧结合的能力)和量。血氧容量正常约为20ml%。

氧含量:为l00ml血液中血红蛋白实际的带氧量。主要是血红蛋白实际结合的氧，极小量溶解于血浆的氧(仅有0.3ml%)。与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白（HbO2），与氧离解的血红蛋白称为还原血红蛋白。血氧饱和度(SaO2)是指血液中血红蛋白实际结合的氧气氧含量占血液中血红蛋白所能结合氧气的最大量(氧容量)的百分比。因此，血氧饱和度的定义可表示为：

SaO2?CHbO2CHbO2?CHb (1-1)

式中CHbO2和CHb分别表示组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，SaO2表示血氧饱和度值，之后采用的SPO2表示利用脉搏血氧仪所测得的血氧饱和度的值。脉搏血氧饱和度测量仪己经在临床实践中得到了广泛地应用，成为一种不可缺少的临床诊断设备。

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脉搏血氧饱和度测量仪的便于操作和非介入式的实时测量，己经使其基本上取代了通过采血体外测量血氧饱和度的方法。血氧测量仪可以进行连续的氧合估计，特别是在对危急病人的手术当中，它能快速提供血氧信息，没有动脉插孔方法所带来的潜在危险。在急救病房里，如果血氧饱和度能被血氧测量仪连续监测的话，通气就能安全迅速地交替进行。在对需要连续辅助氧治疗的病人的治疗过程中，脉搏血氧测量仪经常用于决定氧的需要量。对有慢性阻碍性气管疾病的病人，因怀疑有睡眠呼吸暂停综合症或者夜间低氧饱和度，常需要血氧测量仪进行睡眠氧饱和度研究。由于新生儿采血很困难，血量也有限，因此无损伤性血氧测量仪对新生儿的监测非常有用，通过调整氧疗，可避免对脑、肺、眼的损害。现代脉搏血氧测量仪可按不同病情设置不同的报警限，任何因素所致的呼吸暂停、心率减慢或心率加快以及氧合改变均可以及时发现，是极有用的监测医疗设备。

1.2 脉搏血氧饱和度测量仪的发展历程

脉搏血氧测量仪是一种不需要穿透血管的情况下，连续测量人体内动脉血氧饱和度的光电测量仪器。脉搏血氧饱和度测量仪的发展己有很长的历史。基于Lambert-Beer定律的血氧饱和度测量的研制可以追溯到十九世纪。Lambert-Beer定律描述了光的传播与光密度的关系。Bunsen和Kirchhoff于1860年改进分光光度计和随后不久Stokes和Hoppe-Seyler对血色素的氧气运输功能的阐述，为血氧饱和度测量的发展铺平了道路。1932年，Nicolai和Kramer这两位科学家研制接近于现今使用的脉搏血氧饱和度测量仪。1935年，Matthes研制了第一个双波长的耳部血氧测量探头。但这种设备测量缓慢，需要频繁地校准，需要大量的辅助设备，并且不能有效的区分动脉和静脉血流。这种早期设备采用红光和绿光作为光源，改进后改用红光和红外光，提高了该设备的测量精确度。 1942年，Millikan使用一个加温的耳部探头的脉搏血氧饱和度测量仪对飞行员在大的重力条件下发生短时丧失知觉的现象进行研究。Millikan将脉搏血氧饱和度测量仪装备在飞机上。1949年，Wood重新设计了脉搏血氧仪，给它加了一个气囊，气囊的作用是将耳部的血液挤走以获得绝对零点来改进血氧饱和度测量的准确性。当气囊放气时，血液重新灌注到测量点，这样可以得到一个零点和一个峰值，进而计算出血氧饱和度的值。这种设备由于光源稳定要求较高，没有应用于临床实践中。Wood采用的这种无损检测血氧饱和度的方法在50年代成为种最佳的方法，如Water01100A型血氧计，血氧饱

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和度测量范围60-100%时，精度超过±2.98%。这种方法采用两种波长，对红外光和红光的吸收进行测量，要求满足两个条件：①“无血条件”，即施加约200mmHg的压力把血从耳垂部挤走；②正常的血流，即用透照光使耳垂动脉化。在第一个条件下，测量的信号是与组织有关的光吸收，如肌肉、骨骼、皮肤等，但不包括血的光吸收;在第二个条件下，测量的信号是与组织和血液有关的光吸收。第二个条件下测量的透射光强，减去第一个条件下测量的透射光强，最后得到与动脉血光吸收有关的透射光强信号，由此去除了组织本身光吸收的影响;通过测量两个光波长的透射光强信号，利用公式算出血氧饱和度。然而Elam和Coworker在经过对受压耳朵的透射光研究后指出，即使加上200mmHg的压力，在耳轮里仍然保留着一些血。此法不能取消组织本身(如肌肉、骨骼、皮肤等)的影响，且每次测量都需繁琐地调整。

1964年，Shaw设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计。如HP47201A型耳部血氧计。它的优点是避免了上述繁琐的调整技术，从650nm到1050nm的八个光波，提供了一些有关耳朵组织内大量吸收物质的一些数据。该仪器的光纤传感器安放在耳垂上，仪器内部每分钟1300转的转盘四周上，均匀放置八个窄带滤光片，当其中一个滤光片转到光源前时，某一波长的光束滤过滤光片经光纤传到耳垂部位，耳垂部位的光电池检测到这个波长的透射光信号，又经过光纤传回到仪器并记录下来；同理，其余波长的透射光信号也被记录下来。通过测量八个波长的光密度,避免繁琐地调整，排除色素、皮肤、骨骼、肌肉的吸收干扰，计算出血氧饱和度。在60%以上的血氧饱和度范围内，与动脉血样测量的血氧饱和度进行比较后，相关甚好。尽管该仪器实用、准确且宜于调整，但是设备由于价格昂贵和体积较大，且其耳夹结构复杂，长期戴着不舒适，而且易损坏，只在从事心肺功能研究的实验室里得到了应用。

1972年，日本人Aoyagi对传统的脉搏血氧饱和度测量仪进行了重大的改进，他采用红光和红外光穿过测量部位中脉动的动脉血管，通过这种方式可直接计算出脉搏血氧饱和度值而不需要繁琐地校准。1981年，这种技术投入到商业应用中，同时采用发光二极管使血氧探头体积减小，脉搏血氧饱和度测量仪从此得到了广泛的应用。 1.3 脉搏血氧饱和度测量仪的现状

近年来美国设计出指环式血氧监护仪，该设备体积小，可进行全天24小时监护，做到真正的实时监护[1]，并且在抗运动干扰方面也做出一定的成绩[2]。一些欧洲国家如

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荷兰、英国、德国等也在这方面有所进展，在亚洲，日本、韩国在血氧监护仪方面也有所突破。国内的许多大学科研院所也都致力于血氧监护仪的研制，如西安蓝港数字医疗科技股份有限公司生产的手指血氧仪；中国医学科学院和中国协和医科大学研制的反射式血氧饱和度监测仪[3]；西安交通大学研制的数字式脉搏血氧饱和度检测系统[4]；厦门大学研制的基于PIC单片机的脉搏血氧检测仪[5]；南京师范大学研制的监护用脉搏式血氧饱和度检测模块[6]。但国内生产的血氧监护仪仍采用传统脉搏血氧测量原理，在测量精度、抗干扰、稳定性、重复性方面与国外还有一定差距，有待于进一步完善。 1.4 本系统的研究意义及主要内容

目前使用的脉搏血氧仪基本上采用的是传统的脉搏血氧饱和度检测方法，影响其精度的主要原因包括：一、传统脉搏血氧检测原理上由于采用近似估算必然会带来较大误差。二、其测量原理决定了其硬件电路复杂，系统的稳定性和可重复性差，由电路元器件引入了不可避免的系统误差和随机误差。

本文通过分析传统脉搏血氧测量原理中产生误差的原因，从理论上推导出实现高精度脉搏血氧测量的方法——基于动态光谱方法的脉搏血氧测定法。并且以基于动态光谱的脉搏血氧测量原理的理论为指导，采用现代微处理器、集成电路技术，研制了脉搏波信号的检测与采集系统，采用数字信号处理技术，对采集数据进行处理，进而计算出高精度的脉搏血氧饱和度，最后对系统进行评估实验。本课题主要完成以下工作：

（1）通过分析传统脉搏血氧测量原理引入的测量误差，首先在理论上推导出实现高精度脉搏血氧测量的方法——基于动态光谱方法的脉搏血氧测定法，这种方法在原理上可以消除由于测量条件及个体差异等多方面因素对测量精度的影响。

（2）传统的脉搏血氧饱和度检测系统多是通过模拟技术完成信号调制解调、双光束分离、交直流分离、滤波放大、脉搏波检出等一系列工作的，这种方法不仅硬件复杂，而且增加了系统不可靠和不稳定因素。针对这些问题，本课题提出了脉搏血氧仪的数字化设计思想，根据动态光谱的脉搏血氧检测原理，设计出了基于数字芯片的硬件电路。在对经过组织的透射光做光电转换后，提高了系统检测的动态范围，利用数字技术的优势取代了复杂的模拟放大滤波电路，简化了硬件电路。提高系统稳定性、可重复性，降低了由于硬件系统带来的测量随机误差。

（3）在进行光电脉搏波的检测时采用了区别于分时照射被测组织的传统测量法，本

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由于氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对600nm以下波长光吸光系数过大，不适宜血氧饱和度测量。原理推导中要求其中一波长对氧合血红蛋白(HbO2)和非氧合血红蛋白(Hb)的吸光系数相等，该光波波长应该选在805nm左右，而该点的吸光系数随波长变化梯度较大，这样当发光管存在个体差异时，不利于调试替换。而在900nm附近的波长段，两曲线变化较缓且接近重合，所以一般将交点选在该波长段。另一光波长选在660nm波长附近，检测光附近还原血红蛋白（Hb）表现出强烈的吸收特性，该波长处光对氧合血红蛋白(HbO2)和非氧合血红蛋白(Hb)吸收系数之差近似最大。综合系统的电路设计和价格等因素，在光源设计中我们选定波长为660nm和900nm的发光二极管LED，其性能足以满足本系统的需要。 2．驱动电路

脉搏血氧饱和度检测以光电检测技术为基础，因此，周围杂散光、暗电流等各种干扰对系统影响比较大。为了克服这一问题必须在系统设计中采用光的调制技术。调制就是使光的强度、振幅、频率或相位等某一个(或几个)参数按一定规律变化。调制的任务就是要把所传输的信息以信号变化为形式载到光波上去。从信息携带与检出要求看，采用调制光携带信息可使光信号自身具有与背景辐射不同的特征，有利于和背景辐射区分开，除了抑制背景光干扰外，调制对抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场干扰也有一定作用。

本系统采用脉冲振幅光调制技术，光调制在单片机控制下，按照不同频率发放两个发光管的驱动脉冲信号。脉冲调制不是传送调制信号的每一个瞬时值，而只是传送其采样值，只要采样频率足够高（按奈奎斯特采样定理，只要采样频率fs等于或大于信号最高频率的两倍），则可由采样脉冲来恢复原信号，而不会导致失真。在脉冲调制方式中，载波是周期性脉冲序列，脉冲调制首先必须将调制信号采样，然后用各采样值去控制脉冲幅度，脉冲振幅调制可看成是用一个有一定宽度的脉冲对调制信号的采样过程，也可看成是载波为脉冲序列的斩波调幅。脉冲信号的频率选定为工频整数倍以降低工频干扰，本系统的驱动频率分别选用400Hz和800Hz。

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图3-3 发光二极管驱动电路的设计

SGM3005XMS是一个供电电源在1.8V-5.5V、带有矢量端的双刀双掷开关，其接通时间为TON=16ns，关断时间TOFF=15ns，等效阻抗为0.5?。原理图如下：

图3-4 SGM3005的原理图

当RD-DRV为高电平时，COM1接NO1接电源为高电平，及RD+为高电平，驱动后面的红光二极管发光。

当RD-DRV为低电平时，COM1接NC1接地为低电平，及RD+为低电平，后面的红光二极管不发光。

同理可得红外光的发光原理。

电。

2.芯片的供电设计

1.电路板供电设计

3.2.2.2 电路板及各芯片的电源设计

接NC1悬空，但COM2仍接电源继续为系统供电。

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系统关机时，单片机给KEY_HOLD一低电平，COM2与电源断开，停止为系统供

NO1接电源，所以COM1接电源，COM2也接电源，开始为系统供电。开关断开后COM1

当系统开机时，长按下开关S1时GSM3005的IN1接高电平，即COM1与NO1相连，

图3-6 芯片的供电设计图

图3-5 电路板供电设计图

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NCP511系列是一个带有使能端的稳压器，其引脚定义如下： Vin 电压输入端 Vout 电压输出端

SHDW 是稳压使能端

NC 闲置端 G 接地

MCP1702为一常见的三端稳压器。

由于考虑到带负载的原因，经试验得到光敏感、发光管驱动电路、单片机的应该采用独立供电是系统具有更好的稳定性，得出的脉搏波形更趋于稳定，故本系统采用独立供电的方式。

3.2.2.3 串口设计及外USB座的设计

图3-7 串口通信及USB设计图

CP2102是一个高集成的USB-UART的转换控制器。这个CP2102包括USB2.0全速函数控制器、通用串口总线收发器、振荡器、EEPROM和异步串行总线等。内置USB收发器，无需外接电阻。内置时钟，不需外部晶振。内置1024ByteEEPROM来存储产品ID，系列号，电源描述和释放码等信息。并有片上上电复位功能。其供电电压的典型值为3.3V有稳压芯片MCP1702供电。

我们采用10针的USB座既实现了传统USB的数据传输功能，还能外接探头进行需氧饱和度的测量。

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3.2.2.4 外接存储设备设计及锂电池充电管理设计

M25P40是一款4M（512K*8）位的串行FLASH存储器，并带有先进的写保护机制，并附有SPI总线。

图3-8 外接存储器设计

M25P40含有8个单元，每个单元有256页，每页有256个字节共计4M位。 CLK 时钟信号

DI 在时钟上升沿数据移入，写入的可是地址、数据或说明。 DO 在时钟下降沿数据移出

CS 片选端，当为高电平时，芯片处于待机模式。为彽时，可正常运行。 TSL 写保护是为了保护向存储器特定的存储单位写入数据。

RST CS为彽时，保持位，高电平允许数据输出，低电平输出成高阻态 VCC 电源输入端 VSS 接地端

图3-9 电池充电管理电路设计

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