ATK-MB020 模块用户手册

        1，特性参数

       ATK-MB020心率血氧模块是正点原子推出的一款高精度生物传感器模块。该模块采用了Maxim公司的MAX30102心率血氧传感器芯片作为核心，MAX30102整合了LED、光电探测器和低噪声模拟前端，可以通过IIC接口获取心率和血氧饱和度（SpO2）等生物数据。该模块广泛应用于可穿戴设备、健康监测设备等场景，能够实现对用户心率和血氧的实时监测。其小巧设计使其适合嵌入到多种便携式应用中，为开发者提供了极大的设计自由度和便利性。

       ATK-MB020心率血氧模块的各项基本参数，如下表所示：

表1.1 ATK-MB020心率血氧模块基本参数

        2，使用说明

       2.1 模块引脚说明

       ATK-MB020心率血氧模块通过1*5排针（2.54mm间距）与外部设备连接，方便用户安装到自己的设备中，模块的外观如下图所示：

图2.1.1 ATK-MB020心率血氧模块实物图

       ATK-MB020心率血氧模块各引脚的描述，如下表所示：

表2.1.1 ATK-MB020心率血氧模块引脚说明

       2.2 模块工作原理

       ATK-MB020心率血氧模块的原理图，如下图所示：

图2.1.2 ATK-MB020心率血氧模块原理图

       从上图可以看出，模块内置了3.3V和1.8V的超低压差稳压芯片，其中 1.8V 为 MAX30102 心率血氧传感器提供供电，该电压由 3.3V 通过 LDO 转换得来。因此，外部输入电压可以是 3.3V 或 5V。模块通过 J1 排针与外部连接，提供 VCC、GND、SDA、SCL 和 INT 五个引脚。其中，SDA 和 SCL 引脚上已经接有 1K 的上拉电阻，无需外部再添加。模块采用 IIC 通信方式，IIC 从机地址为 0xAE。

       2.3 MAX30102简介

       MAX30102是一款高性能的心率和血氧传感器，具有低功耗和小尺寸的优点。该传感器能够通过I2C接口与单片机进行数据通信，传输速率可达400kHz。MAX30102集成了红光和红外LED以及光电探测器，能够准确测量心率和血氧饱和度。其工作电压范围为1.8V至3.3V，使其适用于便携式设备和健康监测应用。MAX30102广泛应用于可穿戴设备、智能手环、健康监测仪器等场景。

       MAX30102的特点包括：

       1) 具有红光和红外LED，支持心率和血氧饱和度的精准测量。

       2) 低功耗设计，适合长时间佩戴和便携式设备

       3) 集成光电探测器，具备高灵敏度和低噪声性能

       4) 支持I2C接口，方便与单片机进行数据通信

       5) 超小封装尺寸： 5.6mm x 3.3mm x 1.55mm (LGA)

       MAX30102心率血氧传感器的总体框图，如下图所示：

图2.3.1 MAX30102心率血氧传感器框图

       可以看到，MAX30102结构主要包括两个光电二极管（RED：即红光LED，用于测量血氧饱和度（SpO2），IR：即红外LED，用于监测心率变化）；集成的温度传感器用于监测环境温度、接收器、ADC通道、数字滤波器、数据寄存器和I2C通信模块。

       整体大致流程：心率血氧传感器通过发 射可见红光（RED）和红外光（IR）来工作。光电探测器（包括可见光和红外光）会检测经过皮肤反射回来的光线，并将其转换为电信号，输入到模块内部的信号处理电路。该电路对反射光信号进行放大、环境光消除、模数转换和滤波处理。处理后的数据会被存储在FIFO数据寄存器中，主控通过I2C接口读取这些数据寄存器中的信息。

       2.4 心率和血氧测量原理

       MAX30102心率血氧传感器的工作原理基于光电容积脉搏波（PPG）技术，通过发 射和检测光信号来测量血氧饱和度和心率。以下是其基本原理的详细说明：

       1， 光源发 射：MAX30102配备了LED灯，通常包括红光（波长约为660 nm）和红外光（波长约为940 nm）发 射 器。这些光源通过皮肤照射到血液中。

       2， 光信号的反射：血液中的氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（Hb）对不同波长的光有不同的吸收特性。氧合血红蛋白对红光的吸收较强，而脱氧血红蛋白对红外光的吸收较强。当LED光照射到皮肤时，部分光被皮肤、血管和血液反射回来。

       3， 信号处理：模块内部的光电探测器会捕获反射回来的光信号，并将其转换为电信号。捕获的电信号经过放大和滤波，经过模数转换后，信号会被转换成数字信号，并存储在FIFO数据寄存器中，主控单元通过I2C接口读取数据，并进行算法处理，计算出心率和血氧饱和度（SpO₂）。

       总结如下：

       心率测量原理：当心脏跳动时，血液进入血管，导致血管扩张，反射光的强度增加；而当心脏放松时，血液流出，反射光强度减弱。光电探测器捕捉到反射光的变化，并将其转换为电信号。随着时间的推移，这些信号形成了脉搏波形。通过分析电信号的变化来计算出心率。

       血氧测量原理：血氧测量基于血红蛋白对不同波长光的吸收特性。血红蛋白在氧合状态和缺氧状态下对红光（RED）和红外光（IR）的吸收不同。当红光和红外光穿过血液时，光电探测器捕捉到反射回来的光信号，并将其转换为电信号。通过分析红光和红外光信号的比值，计算出血液中的血氧饱和度（SpO2）。

       2.5 MAX30102寄存器介绍

       MAX30102心率血氧传感器的寄存器主要包括三大部分：状态寄存器、设置寄存器、温度寄存器以及版本号和设备ID的寄存器，如下图。

图2.5.1 MAX30102寄存器

       由于寄存器较多，就不一一介绍了，我们这里仅对我们重点关注的FIFO数据寄存器进行介绍。

图2.5.2 FIFO数据寄存器的缓存图

       MAX30102芯片的FIFO数据寄存器可以存储32个数据样本。每个样本的大小取决于所配置的通道数量：

       l 配置为Heart Rate模式时，每个样本包含一个红外（IR）通道的数据，大小为3个字节。

       l 配置为SpO2模式时，每个样本包含RED（红光）和IR（红外）两个通道的数据，总共6个字节。前3个字节为RED通道数据，后3个字节为IR通道数据。

       因此，FIFO最多可以存储192字节的数据（32个样本）。在读取FIFO数据寄存器时，I2C寄存器地址不会自动递增，数据会从同一地址重复读取。

       在Heart Rate模式下，每个样本3字节，因此需要通过I2C连续读取3次才能获取一个完整样本的数据；而SpO2模式下，每个样本6字节，所以需要连续读取6次才能获取一个完整样本数据。

图2.5.3 FIFO数据存储格式示意图

       上图是18 位 ADC 采样一通道的数据示意图，显示了数据是如何填充到 FIFO_DATA 寄存器的。数据从 FIFO_DATA[17] 开始排列，其中FIFO_DATA[18]~[23] 并未使用到。

       FIFO 中每个通道的数据占用 3 个字节，且数据为左对齐。这意味着无论 ADC 分辨率如何设置，最高位（MSB）始终在固定位置。而FIFO_DATA[2]~[0]随 ADC 分辨率配置来决定使用。如下图所示：

图2.5.4 不同ADC分辨率的数据排布

       2.6 MAX30102驱动流程

       1) 初始化I2C接口：确保MCU和MAX30102之间的I2C通信已正确配置；

       2) 芯片复位：复位MAX30102心率血氧传感器；

       3) 配置传感器模式（源码配置为SpO2模式）：

       l 心率模式：仅使用RED（红光）光通道；

       l SpO2模式：使用RED（红光）和IR（红外）通道；

       l 多LED模式：允许用户选择不同的LED进行测量；

       4) 设置采样率和分辨率：通过配置0x0A（SpO2 Configuration）寄存器，设置传感器的LED脉冲宽度、采样率和ADC分辨率。需根据实际应用调整：LED脉冲宽度越长，信号越稳定。采样率应与测量要求匹配。ADC分辨率决定数据的精度；

       5) 设置LED驱动电流：通过写入寄存器0x0C和0x0D（LED Pulse Amplitude）配置红光和红外LED的驱动电流。一般推荐开始时设置为较低值，然后根据实际信号质量调整；

       6) 启用FIFO寄存器：设置FIFO存储的样本数量、FIFO溢出标志以及读写指针，设置FIFO存储的样本数量、FIFO溢出标志以及读写指针；

       7) 读取数据：当中断发生时，读取FIFO寄存器（0x07），获取RED和IR样本数据；

       8) 处理数据：处理获得的RED和IR样本数据，利用特定的算法计算出心率以及血氧浓度。

        3，结构尺寸

       ATK-MB020心率血氧模块的尺寸结构，如下图所示：

图3.1 ATK-MB020心率血氧模块尺寸图