ATK-MB020模块使用说明
1，硬件连接
这里以正点原子M48Z-M3最小系统板STM32F103版为例，给大家介绍一下模块和板卡的连接方法。其它板卡与模块的硬件连接方法，请大家在“ATK-MB020心率血氧模块\3，程序源码\相应板卡例程文件夹\readme.txt”路径下查看。
心率血氧模块可通过杜邦线与正点原子M48Z-M3最小系统板STM32F103版进行连接，具体的连接关系，如下表所示：
表1.1.1 心率血氧模块与M48Z-M3最小系统板STM32F103版连接关系
2，实验功能
2.1 心率血氧模块测试实验
2.1.1 功能说明
在本实验中，将手指或皮肤贴近心率血氧传感器表面，串口会实时打印当前的心率值和血氧值。需要查看这部分实验信息的用户，可用杜邦线将最小系统板STM32F103的PA9引脚和GND连接至外部的USB转串口设备，这样就可以通过XCOM上位机查看串口打印的信息了。
开发板的LED0闪烁，提示程序运行。
2.1.2 源码解读
打开本实验的工程文件夹，能够在./Drivers/BSP目录下看到ATK_MAX30102文件夹，和IIC文件夹，其中ATK_MAX30102文件夹中就包含了心率血氧模块的驱动文件和FIR滤波器驱动代码，IIC文件夹中就包含了软件模拟IIC的驱动文件如下图所示：
图2.1.2.1 心率血氧模块驱动代码
图2.1.2.2 IIC驱动代码
2.1.2.1 心率血氧模块驱动
下面将简要介绍atk_max30102.c和atk_max30102_math.c中几个重要的API 函数。
1. 函数atk_max30102_init()
该函数用于初始化心率血氧模块，具体的代码，如下所示：
/**
* @brief 初始化max30102
* @param 无
* @retval 无
*/
void atk_max30102_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
INT_GPIO_CLK_ENABLE();
/* INT引脚初始化为外部中断线 */
gpio_init_struct.Pin = INT_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING; /* 下升沿触发 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
HAL_GPIO_Init(INT_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);/* INT配置为下降沿触发中断 */
HAL_NVIC_SetPriority(INT_IRQn, 0, 2); /* 抢占0，子优先级2 */
HAL_NVIC_EnableIRQ(INT_IRQn); /* 使能中断线5 */
iic_init(); /* 初始化I2C接口 */
atk_max30102_reset(); /* 复位设备 */
/* 中断使能：FIFO满以及新FIFO数据就绪 */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_INTR_ENABLE_1, 0xC0);
atk_max30102_write_byte(MAX30102_INTR_ENABLE_2, 0x00);
/* 清空指针FIFO_WR_PTR[4:0] */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_FIFO_WR_PTR, 0x00);
/* 清空指针OVF_COUNTER[4:0] */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_OVF_COUNTER, 0x00);
/* 清空指针FIFO_RD_PTR[4:0] */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_FIFO_RD_PTR, 0x00);
/* 样本平均（4），FIFO满滚（0），FIFO几乎满值（发出中断时为15个空数据样本） */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_FIFO_CONFIG, 0x4F);
/* 配置为SpO2（血氧饱和）模式，会测量RED 和 IR */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_MODE_CONFIG, 0x03);
/* SpO2配置: ADC范围: 4096nA，采样速率控制:200Hz，·LED脉冲宽度:215us· */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_SPO2_CONFIG, 0x2A);
/* IR LED 电流选择9.4mA */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_LED1_PA, 0x2F);
/* RED LED 电流选择9.4mA */
atk_max30102_write_byte(MAX30102_LED2_PA, 0x2F);
/* 建议初始化时，通过读取将中断状态寄存器，将中断标志位清空 */
atk_max30102_read_byte(MAX30102_INTR_STATUS_1);
atk_max30102_read_byte(MAX30102_INTR_STATUS_2);
}
从上述代码可以看出，这段代码完成了 MAX30102 的初始化和配置工作，包括 GPIO 中断设置、FIFO 指针清空、传感器模式和 LED 参数的配置。它确保了传感器进入SpO2模式，并在新数据就绪或 FIFO快满时触发中断，主控可以通过 I2C 接口读取数据寄存器。
2. 函数atk_max30102_fifo_read()
这函数实现了读取MAX30102传感器的FIFO数据，将RED和IR两种光信号的数据解析并存储，具体代码，如下所示：
/**
* @brief 读取FIFO数据
* @param red_data : 存储RED数据
* @param ir_data : 存储IR数据
* @retval 无
*/
void atk_max30102_fifo_read(float *red_data, float *ir_data)
{
uint8_t receive_data[6];
/* 通过读取将中断状态寄存器，将中断标志位清空 */
atk_max30102_read_byte(MAX30102_INTR_STATUS_1);
atk_max30102_read_byte(MAX30102_INTR_STATUS_2);
atk_max30102_read_nbytes(MAX30102_FIFO_DATA, receive_data, 6);
*red_data = ((receive_data[0] << 16 | receive_data[1] << 8 | receive_data[2])
& 0x03ffff); /* RED数据 */
*ir_data = ((receive_data[3] << 16 | receive_data[4] << 8 | receive_data[5])
& 0x03ffff); /* IR数据 */
}
从上面的代码可以看出，在读取RED和IR数据之前，需要先通过读取中断状态寄存器来清除中断标志，确保不会发生意外的中断触发。由于模块被配置为SpO2模式，因此每次需要连续读取6个字节的数据（前3个字节为RED通道数据，后3个字节为IR通道数据），才能获取一个完整的数据样本。接着，通过拼接这6个字节的数据，获取RED和IR数据。
3. 函数atk_max30102_get_heart()
该函数通过峰值检测算法来计算心率。具体的代码，如下所示：
/**
* @brief 获取心率值
* @param input_data ：经过FIR滤波后的红外光数据
* @param cache_nums ：采样数量
* @note 经过滤波的信号，心跳会呈现周期性的峰值（每个峰值代表一次心跳）
* 设定一个阈值（一般为采集样本的平均值），当信号超过该阈值时，识别为峰值
* 计算两个采样点的差值，为了准确性同样多次采集取平均 得到稳定的两次采样点差值（两次心跳的间隔时间 = 两个采样点差值/采样频率）
* 计算心率公式（bpm 即每分钟跳动次数）：Heart_Rate = 60 * 采样频率 / 两个采样点差值
* @retval 返回心率值
* @retval 返回0 代表识别失败，皮肤要紧贴并保持不动
*/
uint16_t atk_max30102_get_heart(float *input_data, uint16_t cache_nums)
{
float input_data_sum_aver = 0;
uint16_t i, temp;
int num_peaks = 0;
int current_peak_time = 0;
int last_peak_time = 0;
int total_intervals = 0;
for(i = 0; i < cache_nums; i++)
{
input_data_sum_aver += *(input_data + i);
}
input_data_sum_aver = input_data_sum_aver / cache_nums; /* 获得阈值 */
for(i = 0; i < cache_nums; i++)
{
/* 检测峰值 */
if((*(input_data + i) > input_data_sum_aver) && (*(input_data + i + 1) <
input_data_sum_aver))
{
current_peak_time = i; /* 记录当前采样点 */
if(last_peak_time != 0)
{
temp = current_peak_time - last_peak_time; /* 计算两个采样点间的差 */
total_intervals += temp; /* 差累加 */
num_peaks++; /* 次数累加，后续取平均数用 */
}
/* 记录上次采样点，以便下次计算两个峰值采样点的差 */
last_peak_time = current_peak_time;
}
}
/* 单位：bpm(次/min) 心率 = 60 * sampling_rate / 两个采样点间的差值 其中
sampling_rate = 采样率/样本数： 200/4 = 50HZ */
if(num_peaks > 0)
{
/* 得到两个峰值间的平均差 */
int avg_interval = total_intervals / num_peaks;
return (3000 / avg_interval); /* 计算心率 */
}
return 0;
}
从上述代码可以看出，首先通过传入经过FIR滤波器处理后的IR采样数据数组及其样本数量，接着使用峰值检测算法来计算心率。具体方法是计算数据样本的平均值，并将其作为阈值。当数据超过此阈值时，即可判定为峰值。在检测到至少一个峰值对后，代码计算所有峰值之间的平均时间间隔，并利用心率计算公式得出最终的心率值。
4. 函数atk_max30102_get_spo2()
该函数主要实现了计算血氧饱和度（SpO2），具体的代码，如下所示：
/**
* @brief 获取血氧值
* @param ir_input_data ：经过FIR滤波后的红外光数据
* @param red_input_data ：经过FIR滤波后的红光数据
* @param cache_nums ：采样数量
* @note 首先通过对红光和红外光信号的最大最小值，计算其AC和DC分量
* 然后通过公式计算出R = (ACred/DCred) / (ACir/DCir) ；
* 最后根据R值使用公式SpO2 = aR^2 + bR + c 其中a b c是根据大量数据拟合得出
的系数。
* @retval 血氧值
*/
float atk_max30102_get_spo2(float *ir_input_data, float *red_input_data, uint16_t cache_nums)
{
float ir_max = *ir_input_data, ir_min = *ir_input_data;
float red_max = *red_input_data, red_min = *red_input_data;
float R; /* 比率R */
uint16_t i;
/* 寻找红光和红外光的最大值和最小值 */
for(i = 1; i < cache_nums; i++)
{
if(ir_max < *(ir_input_data + i))
{
ir_max = *(ir_input_data + i);
}
if(ir_min > *(ir_input_data + i))
{
ir_min = *(ir_input_data + i);
}
if(red_max < *(red_input_data + i))
{
red_max = *(red_input_data + i);
}
if(red_min > *(red_input_data + i))
{
red_min = *(red_input_data + i);
}
}
/* (ir_max - ir_min) 和 (red_max - red_min) 表示：红外和红光信号的AC分量（脉动成
分）。 */
/* (red_max + red_min) 和 (ir_max + ir_min)：表示：红光和红外信号的DC分量（静态
成分） */
R = ((ir_max + ir_min) * (red_max - red_min)) / ((red_max + red_min) * (ir_max
- ir_min));
return ((-45.060f) * R * R + 30.354f * R + 94.845f); /* SpO2 = aR^2 + bR
+ c */
}
从上述代码可以看出，首先使用一个循环遍历输入的IR和RED数据，更ir_max、ir_min、red_max和red_min。通过比较当前元素与已有最大值和最小值，找出数组中红光和红外光的最大和最小值，然后通过AC分量和DC分量计算比率R，最后代入血氧饱和浓度公式，SpO2=−45.060 * R^2 + 30.354 * R + 94.845，获得血氧饱和度SpO2。
5. 函数max30102_fir_init/ir_max30102_fir/red_max30102_fir()
/**
* @brief 初始化FIR滤波器
* @param 无
* @retval 无
*/
void max30102_fir_init(void)
{
arm_fir_init_f32(&S_ir, NUM_TAPS, (float32_t *)&firCoeffs32LP[0], &firStateF32_ir[0], blockSize);
arm_fir_init_f32(&S_red, NUM_TAPS, (float32_t *)&firCoeffs32LP[0], &firStateF32_red[0], blockSize);
}
/**
* @brief 红外光FIR滤波
* @param input ：指向输入信号的数据数组
* @param output ：指向输出滤波结果的数据数组。
* @retval 无
*/
void ir_max30102_fir(float *input, float *output)
{
arm_fir_f32(&S_ir, input,output, blockSize);
}
/**
* @brief 红光FIR滤波
* @param input ：指向输入信号的数据数组
* @param output ：指向输出滤波结果的数据数组。
* @retval 无
*/
void red_max30102_fir(float *input, float *output)
{
arm_fir_f32(&S_red,input, output, blockSize);
}
这段代码利用ARM_MATH库实现了FIR滤波器的结构和基本操作。通过对红外光和红光信号应用低通FIR滤波器，可以有效去除高频噪声，从而提高信号质量。在初始化过程中，配置了滤波器的系数和状态，具体的信号处理则通过ir_max30102_fir和red_max30102_fir函数完成。
2.1.2.2 IIC驱动
在图2.1.2.2中，myiic.c 和 myiic.h 是开发板与心率血氧模块通讯而使用的模拟 IIC 驱动文件，关于模拟 IIC 的驱动介绍，请查看正点原子各个开发板对应的开发指南中模拟 IIC 对应的章节。
2.1.2.3 实验测试代码
实验的测试代码为文件 demo.c，在工程目录下的 User 子目录中。测试代码的入口函数为 demo_run()，具体的代码，如下所示：
#define CACHE_NUMS 150 /* 缓存数&采集次数 */
#define PPG_DATA_THRESHOLD 100000 /* 检测阈值 */
float g_red_data[1]; /* 红光数据缓冲区，用于计算spo2(血氧含量) */
float g_ir_data[1]; /* 红外光数据缓冲区，用于计算heart(心率) */
float fir_output[2]; /* 经过FIR滤波后的数据缓冲区 */
float ppg_data_cache_red[CACHE_NUMS] = {0}; /* 缓存区 */
float ppg_data_cache_ir[CACHE_NUMS] = {0}; /* 缓存区 */
/**
* @brief 例程演示入口函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void demo_run(void)
{
uint16_t t = 0;
uint16_t cnt = 0; /* 缓存计数器 */
uint16_t heart = 0; /* 心率缓存区 */
float spo2 = 0; /* 血氧缓存区 */
atk_max30102_init(); /* 初始化max30102 */
max30102_fir_init(); /* FIR滤波初始化 */
printf("温度：%.2f℃\r\n", atk_max30102_get_temp());
while(1)
{
if(g_max30102_int_flag)
{
g_max30102_int_flag = 0;
atk_max30102_fifo_read(&g_red_data[0], &g_ir_data[0]);
/* 使用DSP库实现FIR滤波 */
red_max30102_fir(&g_red_data[0], &fir_output[0]);
ir_max30102_fir(&g_ir_data[0], &fir_output[1]);
/* 检测是否超过阈值，超过代表有皮肤接触传感器 */
if((g_red_data[0] > PPG_DATA_THRESHOLD) && (g_ir_data[0] >
PPG_DATA_THRESHOLD)) //大于阈值，说明传感器有接触
{
ppg_data_cache_red[cnt] = fir_output[0];
ppg_data_cache_ir[cnt] = fir_output[1];
cnt++;
}
else /* 小于阈值 */
{
cnt = 0;
}
if(cnt >= CACHE_NUMS) /* 收集满了数据 */
{
/* 获取心率值 */
heart = atk_max30102_get_heart(ppg_data_cache_ir, CACHE_NUMS);
spo2 = atk_max30102_get_spo2(ppg_data_cache_ir,
ppg_data_cache_red, CACHE_NUMS);/* 获取血氧值 */
if(heart == 0)
{
printf("心率测量失败，请将皮肤紧贴传感器，并保持静止\r\n");
}
else
{
printf("心率：%d 次/min\r\n", heart);
}
printf("血氧：%.2f%%\r\n", spo2);
printf("\r\n");
cnt = 0;
}
t++;
if(t == 20)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE();
}
}
}
}
从上面的代码中可以看出，整个测试代码的逻辑还是比较简单的，首先通过MAX30102传感器采集红光和红外光数据，并通过FIR滤波进行处理，最终计算出心率和血氧值。程序在while循环中持续运行，监测传感器数据并实时输出结果。需注意的是手指或皮肤需紧贴MAX30102传感器保持静止，否则可能导致数据读取有误。
2.1.3 实验现象
将心率血氧模块按照第一节“硬件连接”中介绍的连接方式与开发板连接，并将实验代码编译烧录至开发板中，本实验使用串口输出心率以及血氧浓度信息，因此需将开发板的 PA9连接至 DAP 虚拟串口（或 USB 转 TTL 模块）的 RX引脚。并通过串口调试助手查看实验信息输出，如下图所示：
图2.1.3.1 串口调试助手显示内容
首先一开始我们需要根据提示信息，将手指头或者皮肤紧贴心率血氧模块表面，并保持静止，之后串口就会打印相应的心率和血氧浓度值，如果未保持静止，则会提示心率测试失败等信息！大家可自行测试看看。
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