血氧传感器是什么STM32 HAL驱动MAX30102血氧心率模块，OLED显示心率图并通过蓝牙上传数据
前言：本次要实现的功能是心率与血氧浓度的检测，在OLED显示心率与血样的数值以及心率的图新，通过蓝牙模块将检测到的数据发给手机。
目录：
目录
一.实验结果图片展示
二.心率血氧模块MAX3012
1.概括：MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件,以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5.0V用于内部LED的电源,应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测,佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准和12C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给
2.引脚介绍：
3.测量心率和血氧功能原理：
2.数字电路部分：
1.内部 ADC 是一个连续时间过采样的 sigma-delta 变换器，具 有 18 位分辨率。ADC 采样率为 10.24MHz。ADC 输出数据速率可以从 50sps(每秒样本)到 3200sps。滤波器用于去除噪声并提取有用的信号。
2.滤波器可以有效地处理各种复杂信号，从而得到更准确的测量结果 。
3.过滤之后的信号存储在数据寄存器中。
3.模拟电路部分：
1.环境光消除 ALC 有一个内部轨道/保持电路来消除环境光的影响和增加有效的动态范围。
2.温度传感器，用于校准SpO2子系统的温度依赖性。
4.最外围：两个LED灯分别示发出红光的LED与发出红外的LED.
5.功能图中引脚介绍：
三.寄存器
1.中断使能：0x02~0x03
2.FIFO: 0X04~0X07
1. FIFO Write Pointer:
2.FIFO Overflow Counter：
3.FIFO Read Pointer:
4.FIFO Data Register:
5. FIFO Data:
6. FIFO Data is Left or Right Justified:
3.FIFO配置：0x08
1.SMP_AVE[2:0]:
2.FIFO_ROLLOVER_EN：
3.FIFO_A_FULL[3:0]:
4.模式配置：0x09
1.SHDN：
编辑
3.MODE[2:0]:
5.SPO2配置 : 0xA0
1.SPO2_ADC_RGE[1:0]:
2.SPO2_SR[2:0] ：
3. LED_PW[1:0] ：
6.LED脉冲幅度 ：0x0C~0X10
四.代码讲解：
1.主函数：
2.MAX初始化配置：
3.max30102读取心率血氧：
4.PPG算法：
五.代码资料获取方式
1.概括：MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件,以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5.0V用于内部LED的电源,应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测,佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准和12C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给
2.引脚介绍：
GND：接地线;
RD:MAX30102芯片的RED,LED接地端，一般不接（驱动红色LED）
IRD: MAX30102芯片的RLED接地端，一般不接（驱动红外LED）
INT:MAX30102芯片的中断引脚
VIN:主电源电源输入端， 1.8V-5V;3位焊盘:选择总线的上拉电平,取决于引脚主控电压,可选1.8V端或者3.3V端（此端包含3.3V及以上）；
SCL：接I2C总线的时钟；
SDA：接12C总线的数据；
在本此工程量只用到了引脚：VIN,SDA,SCL,GND,INT。
接线图
3.测量心率和血氧功能原理：
1.通讯部分：MAX30102通过I2C与MCU通讯。
2.数字电路部分：
1.内部 ADC 是一个连续时间过采样的 sigma-delta 变换器，具 有 18 位分辨率。ADC 采样率为 10.24MHz。ADC 输出数据速率可以从 50sps(每秒样本)到 3200sps。滤波器用于去除噪声并提取有用的信号。
2.滤波器可以有效地处理各种复杂信号，从而得到更准确的测量结果 。
3.过滤之后的信号存储在数据寄存器中。
3.模拟电路部分：
1.环境光消除 ALC 有一个内部轨道/保持电路来消除环境光的影响和增加有效的动态范围。
2.温度传感器，用于校准SpO2子系统的温度依赖性。
4.最外围：两个LED灯分别示发出红光的LED与发出红外的LED.
5.功能图中引脚介绍：
1.中断使能：0x02~0x03
2.FIFO: 0X04~0X07
1. FIFO Write Pointer:
FIFO写指针FIFO写指针指向MAX30102写入下一个示例的位置。该指针为推进到FIFO的每个样本前进。当MODE[2:0]为010、011或111时，也可以通过i2c接口进行更改。
2.FIFO Overflow Counter：
FIFO溢出计数器当 FIFO 满时，样品没有被推进到 FIFO，样品丢失。OVF_COUNTER 计算丢失的样本数目。它在 0 xf 浸透。当一个完整的样本被“弹出”(即，删除旧的 FIFO 数据，并将样本从 FIFO(当读取指针前进时)，OVF_COUNTER 重置为零。
3.FIFO Read Pointer:
FIFO读指针指向处理器从FIFO获取下一个样本的位置i2c接口。每次从FIFO中取出样本时，这种情况都会发生。如果有数据通信错误，处理器也可以在读取样本后写入该指针，以允许从FIFO重新读取样本.
4.FIFO Data Register:
FIFO数据寄存器圆形FIFO深度为32，最多可容纳32个数据样本。样本大小取决于配置为活动的LED通道(又称通道)的数量。由于每个通道信号被存储为一个3字节的数据信号，FIFO的宽度可以是3字节或6字节的大小.
i2c寄存器映射中的fif_data寄存器指向要从FIFO读取的下一个样本。FIFO_RD_PTR指向这个示例。读取FIFO_DATA寄存器，不会自动增加i2c寄存器地址。突然读取这个寄存器，一遍又一遍地读取相同的地址。每个采样是每个通道3字节的数据(即，3字节用于RED, 3字节用于IR，等等)。
FIFO寄存器(0x04-0x07)都可以被写入和读取，但实际上只有fif_rd_ptr寄存器应该被写入操作中。其他的由MAX30102自动递增或填充数据。当开始一个新的SpO 2或心率转换，建议首先FIFO_WR_PTR, OVF_COUNTER和FIFO_RD_PTR寄存器清除为全零(0x00)，以确保FIFO为空并处于已知状态。当在一个突发读I2C事务中读取MAX30102寄存器时，寄存器地址指针通常会增加，以便发送的数据的下一个字节是从将进入和退出邻近模式(当PROX_INT_EN = 1时)通过设置写指针和读指针彼此相等来清除FIFO。
5. FIFO Data:
FIFO数据
6. FIFO Data is Left or Right Justified:
FIFO数据的左对齐或右对，左对齐，无论ADC分辨率设置如何，MSB位始终位于第17位数据位置。右对齐，无论ADC分辨率设置如何，MSB位始终位于第0位数据位置。
3.FIFO配置：0x08
1.SMP_AVE[2:0]:
样本平均为了减少数据吞吐量，相邻的样本(在每个单独的通道中)可以通过设置这个寄存器在芯片上平均和抽取。
样本平均对应表：
2.FIFO_ROLLOVER_EN：
当FIFO完全被数据填充时，这个位控制FIFO的行为。如果设置了FIFO_ROLLOVER_EN (1)， FIFO地址滚到零，FIFO继续用新数据填充。如果该位未设置(0)，则FIFO不会更新，直到读取FIFO_DATA或更改WRITE/ read指针位置。
3.FIFO_A_FULL[3:0]:
这个寄存器设置了当中断发出时，FIFO中剩余的数据样本数(3字节/样本)。例如，如果该字段设置为0x0，则当FIFO中剩余的数据样本为0(全部为32个)时发出中断先进先出字有未读数据)。此外，如果该字段设置为0xF，则当FIFO中剩余15个数据样本(17个FIFO数据样本有未读数据)时发出中断。
4.模式配置：0x09
1.SHDN：
关机控制位该部件可以通过将该位设置为1来进入省电模式。当处于省电模式时，所有寄存器保留它们的值，并且写/读操作正常运行。在这种模式下，所有中断都被清除为零。
2.RESET：
复位控制位当RESET位设置为1时，所有配置、阈值和数据寄存器通过上电复位复位到它们的上电状态。复位顺序完成后，复位位自动清零。注意:设置RESET位不会触发PWR_RDY中断事件。
3.MODE[2:0]:
模式控制位这些位设置了MAX30102的工作状态。更改模式不会更改任何其他设置，也不会擦除数据寄存器中先前存储的任何数据。
5.SPO2配置 : 0xA0
1.SPO2_ADC_RGE[1:0]:
SpO 2 ADC量程控制位设置SpO 2传感器ADC的量程
2.SPO2_SR[2:0] ：
SpO 2采样率控制位 这些位定义了一个由一个红外脉冲/转换和一个红色脉冲/转换组成的样本的有效采样率。
采样率和脉冲宽度是相关的，因为采样率设置了脉冲宽度时间的上界。如果用户选择的采样率对于所选的LED_PW设置太高，则将最高可能的采样率编程到寄存器中。
3. LED_PW[1:0] ：
LED脉宽控制和ADC分辨率这些位设置LED脉冲宽度(IR和Red具有相同的脉冲宽度)，因此，间接设置每个采样中ADC的积分时间，ADC分辨率与积分时间直接相关。
6.LED脉冲幅度 ：0x0C~0X10
这些位设置每个LED的当前电平.
PILOT_PA[7:0]的目的是在接近模式和多LED模式下设置LED功率。
接线图;
1.主函数：
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
}2.MAX初始化配置：
/**
* 作用 ：max30102初始化配置
* 名称 ：max30102_init();
* 参数 ：无
* 返回值：无
**/
void max30102_init(void)
//读取FIFO内的数据
max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATA,temp);
//对从FIFO中读到的数据进行整合
aun_red_buffer[i] = (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) | (long)temp[1]<<8 | (long)temp[2]; // Combine values to get the actual number
aun_ir_buffer [i] = (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) | (long)temp[4]<<8 | (long)temp[5]; // Combine values to get the actual number
if(un_min>aun_red_buffer[i])
un_min=aun_red_buffer[i]; //更新信号最小值
if(un_max<aun_red_buffer[i])
un_max=aun_red_buffer[i]; //更新信号最大值
}
//红色LED器数据缓
un_prev_data=aun_red_buffer[i];
un_prev_data=un_prev_data;
// 计算心率和SpO2水平
maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, n_ir_buffer_length, aun_red_buffer,
&n_sp02, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid);
}
3.max30102读取心率血氧：
/**
* 作用 ：max30102读取心率血氧
* 名称 ：max30102_Read_Data();
* 参数 ：heart_rate：存储心率
sp02：存血氧
* 返回值：无
**/
uint8_t max30102_FLAG=0;
uint8_t max30102_Tem=1; //用来清oled屏
uint8_t heart_Data[3]={0};
uint8_t heart_Picture[100]={0},heart_count=0;
void max30102_Read_Data(int32_t *heart_rate, int32_t *sp02)
//take 100 sets of samples before calculating the heart rate.
//在计算心率前，取100组样本
for(i=400; i<500; i++)
}
//读取FIFO内的数据
max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATA,temp);
// 将红色led值组合以获得实际数字
aun_red_buffer[i] = (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) | (long)temp[1]<<8 | (long)temp[2];
// 将红外led值组合以获得实际数字
aun_ir_buffer[i] = (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) | (long)temp[4]<<8 | (long)temp[5];
//对取到的样本进行处理
if(aun_red_buffer[i]>un_prev_data)
else
// printf("n_brightness=%d
", n_brightness); //串口测试点
//心率图
if(max30102_FLAG==1)
heart_Picture[heart_count]=n_brightness;
//oled显示心率图
OLED_heart_Picture(heart_Picture[heart_count-1],heart_Picture[heart_count]);
}
}
//send samples and calculation result to terminal program through UART
//通过UART将采样和计算结果发送到终端程序
if(ch_hr_valid == 1 && ch_spo2_valid ==1 && n_heart_rate<150 && n_sp02<101)//**/ ch_hr_valid == 1 && ch_spo2_valid ==1 && n_heart_rate<120 && n_sp02<101
{
heart = n_heart_rate;
}
else
{
n_heart_rate = 0;
heart = 0;
}
if(ch_hr_valid == 0)
{
n_heart_rate = 0;
heart = 0;
}
}
//计算心率和SpO2水平
maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, n_ir_buffer_length, aun_red_buffer, &n_sp02, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid);
//对采集到的数据进行筛选
if((ch_hr_valid == 1) && (ch_spo2_valid ==1) && (n_heart_rate>50) && (n_heart_rate<150) && (n_sp02<101) && (n_sp02>80))//**/ ch_hr_valid == 1 && ch_spo2_valid ==1 && n_heart_rate<120 && n_sp02<101
max30102_FLAG=1;
break;
}
else
max30102_Tem=1;
max30102_FLAG=0;
}
}
}4.PPG算法：
/**
* brief 计算心率和SpO2水平
* par Details
* By detecting peaks of PPG cycle and corresponding AC/DC of red/infra-red signal, the ratio for the SPO2 is computed.
* Since this algorithm is aiming for Arm M0/M3. formaula for SPO2 did not achieve the accuracy due to register overflow.
* Thus, accurate SPO2 is precalculated and save longo uch_spo2_table[] per each ratio.
*
* param[in] *pun_ir_buffer - 红外传感器数据缓冲区
* param[in] n_ir_buffer_length - 红外数据存储长度
* param[in] *pun_red_buffer - 红色LED器数据缓冲区
* param[out] *pn_spo2 - 血氧数值
* param[out] *pch_spo2_valid - 如果计算的SpO2值有效，则为1
* param[out] *pn_heart_rate - 计算心率值
* param[out] *pch_hr_valid - 如果计算的心率值有效，则为1
*
*
etval None
*/
void maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(uint32_t *pun_ir_buffer, int32_t n_ir_buffer_length, uint32_t *pun_red_buffer, int32_t *pn_spo2, int8_t *pch_spo2_valid,
int32_t *pn_heart_rate, int8_t *pch_hr_valid)
{
uint32_t un_ir_mean ,un_only_once ;
int32_t k ,n_i_ratio_count;
int32_t i, s, m, n_exact_ir_valley_locs_count ,n_middle_idx;
int32_t n_th1, n_npks,n_c_min;
int32_t an_ir_valley_locs[15] ;
int32_t an_exact_ir_valley_locs[15] ;
int32_t an_dx_peak_locs[15] ;
int32_t n_peak_interval_sum;
int32_t n_y_ac, n_x_ac;
int32_t n_spo2_calc;
int32_t n_y_dc_max, n_x_dc_max;
int32_t n_y_dc_max_idx, n_x_dc_max_idx;
int32_t an_ratio[5],n_ratio_average;
int32_t n_nume, n_denom ;
// remove DC of ir signal 去除ir信号的直流
un_ir_mean =0;
for (k=0 ; k<n_ir_buffer_length ; k++ ) un_ir_mean += pun_ir_buffer[k] ;
un_ir_mean =un_ir_mean/n_ir_buffer_length ;
for (k=0 ; k<n_ir_buffer_length ; k++ ) an_x[k] = pun_ir_buffer[k] - un_ir_mean ;
// 4 pt Moving Average pt移动平均线
for(k=0; k< BUFFER_SIZE-MA4_SIZE; k++){
n_denom= ( an_x[k]+an_x[k+1]+ an_x[k+2]+ an_x[k+3]);
an_x[k]= n_denom/(int32_t)4;
}
// get difference of smoothed IR signal 得到平滑的红外信号差
for( k=0; k<BUFFER_SIZE-MA4_SIZE-1; k++)
an_dx[k]= (an_x[k+1]- an_x[k]);
// 2-pt Moving Average to an_dx pt移动平均线到an_dx
for(k=0; k< BUFFER_SIZE-MA4_SIZE-2; k++){
an_dx[k] = ( an_dx[k]+an_dx[k+1])/2 ;
}
// hamming window
// flip wave form so that we can detect valley with peak detector
//翻转波形，这样我们就可以用峰值检测器检测山谷
for ( i=0 ; i<BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE-MA4_SIZE-2 ;i++){
s= 0;
for( k=i; k<i+ HAMMING_SIZE ;k++){
s -= an_dx[k] *auw_hamm[k-i] ;
}
an_dx[i]= s/ (int32_t)1146; // divide by sum of auw_hamm 除以auw_hamm的和
}
n_th1=0; // threshold calculation 门坎值计算分割
for ( k=0 ; k<BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE ;k++){
n_th1 += ((an_dx[k]>0)? an_dx[k] : ((int32_t)0-an_dx[k])) ;
}
n_th1= n_th1/ ( BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE);
// peak location is acutally index for sharpest location of raw signal since we flipped the signal
//峰值位置实际上是我们翻转信号后原始信号最尖锐位置的索引
maxim_find_peaks( an_dx_peak_locs, &n_npks, an_dx, BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE, n_th1, 8, 5 );//peak_height, peak_distance, max_num_peaks
n_peak_interval_sum =0;
if (n_npks>=2){
for (k=1; k<n_npks; k++)
{
n_peak_interval_sum += (an_dx_peak_locs[k]-an_dx_peak_locs[k -1]);
// printf ("n_peak_interval_sum=%d
",n_peak_interval_sum);//测试点
}
n_peak_interval_sum=n_peak_interval_sum/(n_npks-1);
*pn_heart_rate=(int32_t)(6000/n_peak_interval_sum);// beats per minutes 每分钟心跳数
*pch_hr_valid = 1;
// printf ("pn_heart_rate=%d
",*pn_heart_rate);//测试点
}
else {
*pn_heart_rate = -999;
*pch_hr_valid = 0;
}
for ( k=0 ; k<n_npks ;k++)
an_ir_valley_locs[k]=an_dx_peak_locs[k]+HAMMING_SIZE/2;
// raw value : RED(=y) and IR(=X)
// we need to assess DC and AC value of ir and red PPG. 我们需要评估ir和红色PPG的直流和交流值。
for (k=0 ; k<n_ir_buffer_length ; k++ ) {
an_x[k] = pun_ir_buffer[k] ;
an_y[k] = pun_red_buffer[k] ;
}
// find precise min near an_ir_valley_locs 在an_ir_valley_locs附近找到精确的min
n_exact_ir_valley_locs_count =0;
for(k=0 ; k<n_npks ;k++)
n_c_min= an_x[i] ;
an_exact_ir_valley_locs[k]=i;
}
if (un_only_once ==0)
n_exact_ir_valley_locs_count ++ ;
}
}
if (n_exact_ir_valley_locs_count <2 ){
*pn_spo2 = -999 ; // do not use SPO2 since signal ratio is out of range 不使用SPO2，因为信号比超出了范围
*pch_spo2_valid = 0;
return;
}
// 4 pt MA
for(k=0; k< BUFFER_SIZE-MA4_SIZE; k++){
an_x[k]=( an_x[k]+an_x[k+1]+ an_x[k+2]+ an_x[k+3])/(int32_t)4;
an_y[k]=( an_y[k]+an_y[k+1]+ an_y[k+2]+ an_y[k+3])/(int32_t)4;
}
//using an_exact_ir_valley_locs , find ir-red DC andir-red AC for SPO2 calibration ratio、
//使用an_exact_ir_valley_locs，找到红色直流和红色交流的SPO2校准比
//finding AC/DC maximum of raw ir * red between two valley locations
//发现两个山谷位置之间的AC/DC最大原始ir *红
n_ratio_average =0;
n_i_ratio_count =0;
for(k=0; k< 5; k++) an_ratio[k]=0;
for (k=0; k< n_exact_ir_valley_locs_count; k++)
}
// find max between two valley locations
// 求两个山谷之间的最大值
// and use ratio betwen AC compoent of Ir & Red and DC compoent of Ir & Red for SPO2
//以及Ir & Red的交流分量与Ir & Red的直流分量对SPO2的利用率
for (k=0; k< n_exact_ir_valley_locs_count-1; k++)
if (an_y[i]> n_y_dc_max) {n_y_dc_max =an_y[i];n_y_dc_max_idx=i;}
}
n_y_ac= (an_y[an_exact_ir_valley_locs[k+1]] - an_y[an_exact_ir_valley_locs[k] ] )*(n_y_dc_max_idx -an_exact_ir_valley_locs[k]); //red
n_y_ac= an_y[an_exact_ir_valley_locs[k]] + n_y_ac/ (an_exact_ir_valley_locs[k+1] - an_exact_ir_valley_locs[k]) ;
n_y_ac= an_y[n_y_dc_max_idx] - n_y_ac; // subracting linear DC compoenents from raw 从原始电路中减去线性直流分量
n_x_ac= (an_x[an_exact_ir_valley_locs[k+1]] - an_x[an_exact_ir_valley_locs[k] ] )*(n_x_dc_max_idx -an_exact_ir_valley_locs[k]); // ir
n_x_ac= an_x[an_exact_ir_valley_locs[k]] + n_x_ac/ (an_exact_ir_valley_locs[k+1] - an_exact_ir_valley_locs[k]);
n_x_ac= an_x[n_y_dc_max_idx] - n_x_ac; // subracting linear DC compoenents from raw
n_nume=( n_y_ac *n_x_dc_max)>>7 ; //prepare X100 to preserve floating value 准备X100以保留浮动值
n_denom= ( n_x_ac *n_y_dc_max)>>7;
if (n_denom>0 && n_i_ratio_count <5 && n_nume != 0)
{
an_ratio[n_i_ratio_count]= (n_nume*20)/n_denom ; //formular is ( n_y_ac *n_x_dc_max) / ( n_x_ac *n_y_dc_max) ; ///*************************n_nume原来是*100************************//
n_i_ratio_count++;
}
}
}
maxim_sort_ascend(an_ratio, n_i_ratio_count);
n_middle_idx= n_i_ratio_count/2;
if (n_middle_idx >1)
n_ratio_average =( an_ratio[n_middle_idx-1] +an_ratio[n_middle_idx])/2; // use median
else
n_ratio_average = an_ratio[n_middle_idx ];
if( n_ratio_average>2 && n_ratio_average <184){
n_spo2_calc= uch_spo2_table[n_ratio_average] ;
*pn_spo2 = n_spo2_calc ;
*pch_spo2_valid = 1;// float_SPO2 = -45.060*n_ratio_average* n_ratio_average/10000 + 30.354 *n_ratio_average/100 + 94.845 ; // for comparison with table
}
else{
*pn_spo2 = -999 ; // do not use SPO2 since signal ratio is out of range
*pch_spo2_valid = 0;
}
}
程序在微信公主号“嵌入式电子小白凯”发送“MAX30102资料”就可获取到程序资料下载。
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作者：小白-凯