2.1 总体设计思想
该设计在基于STM32控制板外，另一个主要的板块就是做到如何去采集到心率数据的样本。关于MAX30100，其在简易心率检测仪中使用量非常的大，是一个优质的心率监测器传感器。MAX30100利用其本身含有的LED和光电检测端来检测信号的接收，以显示心率数据。其工作原理等会在后面讲到。另外，在该系统中STM32是主要微控制器和数据处理器；利用OLED屏实现动态心率的实时监控，即数据显示；利用蓝牙串口可以将数据输出显示。电源将设置一个3.5V-8V的电源，在选择合适电源电压供给的情况下输出电源给各模块进行使用。结构图如下图2.1所示：

图2.1 整体结构图

2.2 心率脉象图谱原理及实现
2.2.1 心电图
心脏的跳动是有序，在医学学术上讲到的心电脉冲就是心电图的形成基本。当人体血液流动进入心脏时，血液的流向以及血压都会对心脏内壁造成压迫，从而使心脏肌肉形成了周期性的收缩与放松。而脉冲信号就是由于心脏肌肉收缩，并且在左右压差下传递产生的周期性的电信号。但是人体是一个导体，并且心脏脉冲也会血液中产生传播规律，而这就是脉搏的产生。从而说明了改脉冲信号，可以利用身体内任意一个电极去检测到，心电图（EKG或ECG）便是将这个原理进行的数据可观性的改变，即可视电信号。下图2.2显示的是心脉波形的截断：

图2.2 心电图心搏波形
2.2.4 脉图的判别方法
脉图的判读方法有多种。每个时间段内都指代了不一样的内容，比如在一个心脉跳动周期t内，将波形的不同形态分为t1、t2、ts等。心脏整个收缩放松的时期分为4个部分， t4心脏处于收缩阶段，而t5则处于放松阶段。在心脏内室血液流入动脉时，我们用t1来表示，这段时间脉图沿y轴快速上升，直到最高峰，这段波幅被称之为主波幅；这时心脏跳出射血期，血管压强降低，波形沿y轴开始缓慢下降，到达途中W点处时，正好是距离整个波幅2/3的高度。随后由于少量血液倒流造成的其他波幅类似于h3都是比较重要的波幅凸起。在心脏还是处于舒张期时，也就t5阶段，会在两个阶段中间形成一个落差低估，也就是图中的h4。随后缓慢的波形凸起与降中峡高度只差则被称之为重拨。另外，整个t4时期的面积在图中用As表示了，t5时期则用Ad表示。

图2.3 脉图分析的主要参数

3.1 主控芯片
3.1.1 芯片介绍
STM32F103系列终端微控制器在现阶段使用十分广泛，这在于它低成本、工艺简单、处理方便、低功耗且高品质的优点，其适用范围强大到不仅仅在微机处理上被运用到，在日常生活中的电子设备类如游戏手柄，遥控器等都能运用到该芯片。说完STM32F103的优点，我们来了解下其基本结构。STM32F103拥有极其效率的代码运行速度，这得益于它的三十二位标准精简指令集的ARMv7-M体系结构。除此之外还拥有八和十六位不同数位系统转换的数据处理内核。在十分优越的FLASH处理器与SRAM下，一般情况最高工作频率不会低于72MHz。STM32F103内部优越的设置为其良好的数据处理打下了基础，而它外设部分拥有多个引脚，相当于有设置了很多的IO口。这样内外兼优的处理器在事实情况下很适合引用于该系统中。
3.1.2 低功耗特点
STM32F103所包含的众多模式中，低功耗模式是本系统中最为重点的一个部分，相当于空调的超节能模式，这是一个希望能随时带在身边利用的心率检测仪来说是十分必要的。低功耗模式下，也就是系统的睡眠模式下，能够随时唤醒CPU，但是其他非特殊情况下CPU始终在休眠状态，尽量最低限度的消耗能源。除了保留的一条用于唤醒的线，其他连接着包括SRAM、FIFO寄存器、回环整合信号、数字感知区域振荡器在内都处于休止中断中，直到在结束或者唤醒CPU后，整个系统会在最快的时间内进入运行状态。
除此之外，STM32F103还有个休眠模式。在这个模式开启后，系统将进入超低耗能模式。不再像低功耗模式一样只是单纯的将组件控制在低功耗运行状态，在启动之后系统甚至会自动切断除了唤醒与CPU之外的其他线路的电源，真正的做到整机休眠。它的唤醒条件也是十分简单，只要中断唤醒启动，CPU就会被事件唤醒，但是这个启动时间相对较长。
3.1.3 主芯片电路设计
原理图如下图3.1-1，上拉3.3V电源用于复位电路，按下按钮后，内部电路会自动复位。各电源接口和地线必须接上，给各个IO口供电。

图3.1 主芯片电路原理图

图3.2 主芯片电路PCB图

4.1 主软件设计
由于单片机的快速数据处理速度和易于编程的原因，单片机用于数据处理可以避免大量蓝牙数据传输。 MAX30100通过I2C通信进行读取。平衡光电数据转化，然后确定脉搏，在测量脉搏后，随时间计算心率。

4.2 MAX30100
I2C接口的最大速度为400KHz。该项目中，使用的通信技术为I2C通信，因此采样速率比传输速率慢。由于存储器写操作是通过I2C执行的，所以需要保证主控制芯片的高速通信操作，并且不影响其他子例程。
4.2.1 MAX30100运作流程
在该传感器模块处于SpO2的模式下，会开启心率记录与调取的功能。遮罩HR_ RDY。利用LED发出的光信号在手指上收集转化完成的PPG信号波形，完成采样。在此模式下中断将会在收集完每个数据样本之后在触发，即当FIFO仅剩一个空白空间时，产生中断。心率样本包括仅一个IR数据点。当读取FIFO数据寄存器时，终端HR_RDY位自动清零。新样本存储在新的读取指针位置，实际上，它是现在是FIFO中的第一个样本。

图4.1 心率模式下的数据采集和通讯时序
4.3 OLED
以简易方便为原则的前提下，满足尽量小但是清晰的情况所以选择了分辨率为128x64的OLED屏幕，其中包含液晶屏的部分占有总组件的86%，有0.96寸的大小。OLED的驱动IC是具有内部升压功能的芯片SSD1306,因此，在设计中不需要专门设计升压电路[9]。
为了实现心电图一样的显示，样本完成计算产生的数据波形以及心率的数据会显示在这个OLED液晶屏上。通过编写好的程序控制OLED内部的SSD1306，步骤跟MAX30100中的FIFO寄存器有相似之处，首先初始化，接着就可以将数据信息写入进行展示。这之间的数据显示与实时更新是同步的，OLED上的数据，会在下次数据写入时进行擦除，再初始化更新写入内容，一直进行这样的步骤。而数据的转输并且可控制的SSD1306是通过模拟SPI通信进行的。
图4.9和图4.10分别为佩戴该心率检测仪处于正常状态下与运动后的心率展示图。

图5.1 正常状态下心率展示

图5.2 运动状态下心率展示

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