MAX32630FTHR板的学习（四）：使用MAX30102进行心率和血氧测量

anning865

MAX32630FTHR板的学习（四）：使用MAX30102进行心率和血氧测量 [复制链接]

 

 

      在上一篇中简单对MAX30102进行了读写并解释了其测量心率和血氧饱和度的原理。这篇主要写MAX32630FTHR板和MAX30102具体配合测量心率和血氧的步骤。

1.     硬件改进

     上一篇中已经提到目前淘宝上卖的MAX30102模块存在明显的硬件错误，其将I2C的上拉电压固定在了1.8V稳压器的输出端，导致与其他I2C电平不兼容，比如一些常用的arduino板和STM32板都不能与其进行正常的通信。想做实验还要先飞线。

美信官方也推出了一个基于MAX30102的模块设计MAXREFDES117。模块很小巧，图1就是实物图，图2是原理框图。可以看出官方很明智地选用一片电平转换芯片MAX14595来解决I2C总线电平不兼容的问题。但是无奈这个设计成本有点高，况且芯片不好买。

图1. MAXREFDES117实物图

图2. MAXREFDES117结构框图

     本着精简够用的原则，我重新设计了原理图并制板实验了一下，效果还是不错的。具体改动很简单，就是将MAX30102的上拉电平连接到了输入电源同时也是LED供电电源上。这样保证了I2C电平始终和输入电源一样，而绝大多数情况下我们通过单片机开发板提供给MAX30102模块的电源往往也是和单片机本身IO口电源是同一个。同时根据MAX30102的手册，LED的电源要求大于3.1V就可以（见图3），所以输入电源采用3.3V和5V均可。最后修改后的原理图如图4所示。

图3.MAX30102的LED电源要求

图4.MAX30102模块的原理图

图5.焊接后的实物图（MAX30102封装不好焊啊）

2.     软件移植

      官方的MAXREFDES117套件给出了基于arduino和mbed两种平台的心率和血氧计算程序，其可以顺利应用于如下6种开发板：

mbed:

• Maxim Integrated MAX32600MBED#
• Freescale FRDM-K64F
• Freescale FRDM-KL25Z
  

Arduino:

• Adafruit Flora
• Lilypad USB
• Arduino UNO
  

    下图6是算法程序的流程图

图6.心率血氧算法流程图

      单片机在复位MAX30102后等待串口输入，当串口有任意字符输入，单片机即开始对MAX30102进行功能初始化，RED LED和IR LED交替点亮来检测人体皮肤下血液的搏动和血氧含量。单片机将一段时间内MAX30102采集的LED反射数据储存在内部RAM中，然后分别计算RED LED和IR LED的直流成分（DC）和交流成分（AC），最后算出数值R并通过预先储存在FLASH中的查找表来确定当前的SPO2（图7）。而心率值可以通过对单个LED的交流成分相邻两波峰之间的时间差T来确定，每分钟心跳数BPM=60/T。

图7.R值与血氧的线性关系图

      由于arduino UNO板所使用的mega328p单片机内存只有2KByte, 无法储存长时间的原始数据，因此程序中设定MAX30102的采样率为25HZ，每个数据只有16位（ADC的位数是18位，舍弃了最低2位数据）并只采了4S的数据。而MBED平台下的开发板都具有较大的内存，所以程序中设定MAX30102的采样率为100HZ，数据为32位并始终储存5S的数据进行计算。通过对比可以发现，使用MBED平台下开发板算出的心率和血氧值数值更精确，更稳定，性能超过了arduino UNO板。而本次实验使用的MAX32630FTHR板性能更强，其片上内存有512KB，远远超出了程序需求，编译后的程序RAM只有11.7KB。因此还可以进一步提升算法的性能和复杂度，使可穿戴设备具有更大的发展空间。

图8.程序编译后的空间占用情况

3.实验过程

     针对MAX32630FTHR板进行程序的移植，并定义相应接口连接：

MAX32630FTHR<->MAX30102

3V3<->VIN

SCL(P3_5)<->SCL

SDA(P3_4)<->SDA

P3_2<->INT

GND<->GND

     程序中使用板上的LED1（红色）来实时模拟心跳强弱。最后导出的keil程序如下

FTHR_MAX30102_uvision5_max32630fthr.zip (4.65 MB, 下载次数: 5263)

2017-8-8 17:35 上传

点击文件名下载附件

     程序通过串口输出REDLED和IR LED的原始数据，还有心率数值和血氧数值及其是否有效标志，如下图：

图9.串口数据输出

     最后附上实验视频：

     在视频中可以看到MAX32630FTHR板上的红色LED随心跳强弱变换LED光强弱来模拟心跳（视频中可能不如实际中明显）。在手指接触良好的情况下，使用MAX30102测量的心率值与我左手上的荣耀S1手表测得的心率值接近（大概有2~3beat差别）。至于血氧饱和度，正常人一般都是95%以上，我在测试过程中基本都是99%~100%。但是需要注意的是，因为是基于查找表来确定血氧含量，所以每个血氧传感器都需要和专业仪器进行标定才准确。此外，RED LED的波长尤其容易受到环境温度影响，所以程序上要考虑到温度对血氧精确度的影响，这也是MAX30102本身带有温度传感器功能的主要原因。所以试验中的血氧饱和度是仅供参考，并不准确。

本帖总结：

1.修改后的MAX30102模块能兼容大多数开发板的I2C电平，使用更方便，器件更少

2.MAX30102的心率血氧算法更适合在大内存的单片机中运行，所以拥有512KB RAM的MAX32630FTHR非常合适，而且有更大的扩展潜力

3.实验效果较好，可以较为准确地测出手指的心率和血氧。

修一明

感谢分享

okhxyyo

汇总贴在此：
MAX32630FTHR板的学习——by anning865
https://bbs.eeworld.com.cn/forum. ... 8387&fromuid=536508

snoweaglemcu

感觉帖子内容很有价值
祝楼主新年快乐，工作顺心！一年更比一年好！

Joyce-cnn

夜之向日葵

您好，我把你的代码移植到stm32f767开发版后，读出的红光数据为10w左右，红外光为14w左右。但是通过你提供的算法计算出的心率一般都在好几百或者返回-999，血氧数据也不对。不知道为什么我直接使用你程序中对max30102的I2C的配置代码无法读出数据，而我用的HAL库中的函数就可以读取出来，现在在电脑上看到的波形噪声很大（没有经过算法处理），不太清楚是我读取数据不完全正确还是算法的细节需要修改，楼主遇到过类似的情况吗，希望解答一下

anning865

夜之向日葵 发表于 2018-11-14 18:11
您好，我把你的代码移植到stm32f767开发版后，读出的红光数据为10w左右，红外光为14w左右。但是通过你提供 ...

有可能是外界的光线干扰。

夜之向日葵

anning865 发表于 2018-11-15 13:54
有可能是外界的光线干扰。

您好，您能提供QQ，微信这些联系方式，我想详细咨询下您

hujj

好资料，下载学习了。我用STM32F103，能读出数据，但不稳定，尤其是脉搏，经常是200以上，不知原因出在哪？
另外我想显示动态波形，也不知道该取哪个值。

silence2019

夜之向日葵 发表于 2018-11-14 18:11 您好，我把你的代码移植到stm32f767开发版后，读出的红光数据为10w左右，红外光为14w左右。但是通过你提供 ...

请问你解决了吗，我最近也在调这个，用的stm32f103的板子，出来的心率也是好几百

小白（学习中）

silence2019 发表于 2019-7-23 15:51 请问你解决了吗，我最近也在调这个，用的stm32f103的板子，出来的心率也是好几百

我用读出来的数据值 浮动很大，心率值 0到400多。

菜鸟112

谢谢分享，感激不尽

calvinwx

下了试下多谢

yuanxihua

很好。

esmember

我做的是能显示，但是是0或者-999，不知道那里有问题，下你的看看。先感谢。

补，竟然是c++，说多了都是泪啊。

Casperflip

楼主我想问一下 那个    图7.R值与血氧的线性关系图  是在哪里的呀 有没有原图或者相关文件 我想看一下

anning865

Casperflip 发表于 2020-11-16 14:48 楼主我想问一下 那个    图7.R值与血氧的线性关系图  是在哪里的呀 有没有原图或者相关文件 ...

好像是美信应用手册里的，时间久了也记不清楚了。

1nnocent

请问楼主有遇到过red和ir输出的值会相等的情况吗？心率基本都测不准，血氧偶尔测不准

1nnocent

上次那个问题解决了，现在是心率测不准大概在40-120之间波动，不是很稳定，每次都差挺多的

 

1nnocent

【  由于arduino UNO板所使用的mega328p单片机内存只有2KByte, 无法储存长时间的原始数据，因此程序中设定MAX30102的采样率为25HZ】

楼主在这里提到UNO的代码中设置25Hz的采样率，但是芯片手册中能设置的最低采样率最低也就50Hz？UNO是如何设置成25Hz的？