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指尖血氧动态监护仪 【实验器材】 STM32H735-DK开发板 MAX30100血氧传感器 【开发软件】 TouchGFX 4.23.2 Designer STM32CubeMAX STM32CubeIDE 【MAX30100简介】 MAX30100是一款集成有脉搏血氧仪和心率监测传感器的模块。该器件集成有两个LED、一个光电探测器, 经过优化的光学器件和低噪声模拟信号处理器，可检测脉搏血氧及心率信号。MAX30100采用1.8V和3.3V的电源电压。可通过软件来关断电源，待机模式下的电流消耗量可忽略不计，因而可以始终保持电源连接。并且 MAX30100采用iic通信方式 【开发步骤】 1、使用TouchGFX 4.23.2 Designer创建一个基于STM32H735-DK的空白工程。 2、添加一个标签textState用于显示检测状态
3、再创建两个texArea,用于显示心率与血氧浓度：
4、放置两个图表控件，用于显示血氧与心跳的图形。
5、生成工程后使用stm32cubIDE打开工程，添加max30100的驱动max30100.c以及血氧数据采集的blood.c与FFT分析algorithm.c三个文件。由于开发板给用户使用的i2c4触摸屏也在使用，由于他们的初始化的问题，我这次使用软件i2c来实现对max30100的驱动，所以添加了IICcom.c的驱动。添加好驱动后的工程如下图所示：
6、程序组织实现的流程图如下
大的流程为在freertos的任务中，周期的检测传感器的数据，如果达到显示的次数，测置显示标志为1，如果达到fft的采样次数，测进行fft数据处理后，更新状态标志与血氧、心率的数据。 在TouchGFX的model中，使用tick来检测两个标志，分别向persenter、view传递需要的显示的数据，并同时更新显示。 【主要代码分析】 1、max30100初始化： void max30100_init (void ) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init (GPIOB, &GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_3; HAL_GPIO_Init (GPIOE, &GPIO_InitStruct); PY_usDelayTest(); max30100_Bus_Write(0x06, 0x0b); //mode configuration : temp_en[3] MODE[2:0]=010 HR only enabled 011 SP02 enabled //max30100_Bus_Write(0x06, 0x0a); //MODE[2:0]=010 HR only enabled when used is mode ,the red led is not used. max30100_Bus_Write(0x01, 0xF0); //open all of interrupt max30100_Bus_Write(INTERRUPT_REG, 0x00); //all interrupt clear max30100_Bus_Write(0x09, 0x33); //r_pa=3,ir_pa=3 #if (SAMPLES_PER_SECOND == 50) max30100_Bus_Write(0x07, 0x43); //SPO2_SR[4:2]=000 50 per second LED_PW[1:0]=11 16BITS #elif (SAMPLES_PER_SECOND == 100) max30100_Bus_Write(0x07, 0x47); //SPO2_SR[4:2]=001 100 per second LED_PW[1:0]=11 16BITS #elif (SAMPLES_PER_SECOND == 200) max30100_Bus_Write(0x07, 0x4F); #elif (SAMPLES_PER_SECOND == 400) max30100_Bus_Write(0x07, 0x53); #endif max30100_Bus_Write(0x02, 0x00); //set FIFO write Pointer reg = 0x00 for clear it max30100_Bus_Write(0x03, 0x00); //set Over Flow Counter reg = 0x00 for clear it max30100_Bus_Write(0x04, 0x0F); //set FIFO Read Pointer reg = 0x0f for //waitting write pointer eq read pointer to interrupts INTERRUPT_REG_A_FULL } 我这次使用的IO为开发板上的CN4的D8、D9为模拟II2C的接口。在初始化时初始为普通IO输出。
同时使用PY_usDelayTest();初始化一个微秒的延时函数。经过初化后，MAX30100的LED灯才能工作。 2、同时实现三个写入与读取寄存器数据函数如下： uint8_t max30100_Bus_Write (uint8_t Register_Address, uint8_t Word_Data) { / 采用串行EEPROM随即读取指令序列，连续读取若干字节 / I2C_Start(); / 第1步：发起I2C总线启动信号 / / 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 / I2C_SendByte(max30100_WR_address | I2C_WR); / 此处是写指令 / / 第3步：发送ACK / if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第4步：发送字节地址 / I2C_SendByte(Register_Address); if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第5步：开始写入数据 / I2C_SendByte(Word_Data); / 第6步：发送ACK / if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 发送I2C总线停止信号 / I2C_Stop(); return 1; / 执行成功 / cmd_fail: / 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 / / 发送I2C总线停止信号 / I2C_Stop(); return 0; } uint8_t max30100_Bus_Read (uint8_t Register_Address) { uint8_t data; / 第1步：发起I2C总线启动信号 / I2C_Start(); / 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 / I2C_SendByte(max30100_WR_address | I2C_WR); / 此处是写指令 / / 第3步：发送ACK / if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第4步：发送字节地址， / I2C_SendByte((uint8_t)Register_Address); if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第6步：重新启动I2C总线。下面开始读取数据 / I2C_Start(); / 第7步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 / I2C_SendByte(max30100_WR_address | I2C_RD); / 此处是读指令 / / 第8步：发送ACK / if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第9步：读取数据 / { data = I2C_RadeByte(); / 读1个字节 / I2C_NoAck(); / 最后1个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) / } / 发送I2C总线停止信号 / I2C_Stop(); return data; / 执行成功 返回data值 / cmd_fail: / 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 / / 发送I2C总线停止信号 / I2C_Stop(); return 0; } void max30100_FIFO_Read (uint8_t Register_Address,uint16_t Word_Data[][2],uint8_t count) { uint8_t i=0; uint8_t no = count; uint8_t data1, data2; / 第1步：发起I2C总线启动信号 / I2C_Start(); / 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 / I2C_SendByte(max30100_WR_address | I2C_WR); / 此处是写指令 / / 第3步：发送ACK / if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第4步：发送字节地址， / I2C_SendByte((uint8_t)Register_Address); if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第6步：重新启动I2C总线。下面开始读取数据 / I2C_Start(); / 第7步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 / I2C_SendByte(max30100_WR_address | I2C_RD); / 此处是读指令 / / 第8步：发送ACK / if (I2C_WaitAck() != 0) { goto cmd_fail; / EEPROM器件无应答 / } / 第9步：读取数据 / while (no) { data1 = I2C_RadeByte(); I2C_Ack(); data2 = I2C_RadeByte(); I2C_Ack(); Word_Data[i][0] = (((uint16_t)data1 << 8) | data2); // data1 = I2C_RadeByte(); I2C_Ack(); data2 = I2C_RadeByte(); if (1==no) I2C_NoAck(); / 最后1个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) / else I2C_Ack(); Word_Data[i][1] = (((uint16_t)data1 << 8) | data2); no--; i++; } / 发送I2C总线停止信号 / I2C_Stop(); cmd_fail: / 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 / / 发送I2C总线停止信号 / I2C_Stop(); } #endif 3、血液检测信息更新 void blood_data_update (void ) { uint16_t temp_num=0; uint16_t fifo_word_buff[1][2]; temp_num = max30100_Bus_Read(INTERRUPT_REG); //标志位被使能时 读取FIFO if (INTERRUPT_REG_A_FULL&temp_num) { //HAL_GPIO_WritePin(GPIOG,GPIO_PIN_5,1); //读取FIFO max30100_FIFO_Read(0x05,fifo_word_buff,1); //read the hr and spo2 data form fifo in reg=0x05 //将数据写入fft输入并清除输出 for (int i = 0;i < 1;i++) { if (g_fft_index < FFT_N) { s1[g_fft_index].real = fifo_word_buff[i][0]; s1[g_fft_index].imag= 0; s2[g_fft_index].real = fifo_word_buff[i][1]; s2[g_fft_index].imag= 0; g_fft_index++; } } //信息更新标志位 g_blooddata.update++; } else { //HAL_GPIO_WritePin(GPIOG,GPIO_PIN_5,0); } } 在这个程序中，读取标志位，如果使能则读取转后的数据，并更新到缓冲数组s1、s2中，如果未达FFT的采集数量，测将数组列新到buffk。同时更新检测信息的标志位。 4、血液信息转换 void blood_data_translate (void ) { //缓冲区写入结束 if (g_fft_index>=FFT_N) { //开始变换显示 //Gui_DrawFont_GBK16(102,2,BLACK,GREEN,"FFT"); g_fft_index = 0; //数据更新标志位 g_blooddata.display = 1; //快速傅里叶变换 FFT(s1); FFT(s2); //解平方 for (int i = 0;i < FFT_N;i++) { s1[i].real=sqrtf (s1[i].reals1[i].real+s1[i].imags1[i].imag); s2[i].real=sqrtf (s2[i].reals2[i].real+s2[i].imags2[i].imag); } //读取峰值点 结果的物理意义为 uint16_t s1_max_index = find_max_num_index(s1, 60); uint16_t s2_max_index = find_max_num_index(s2, 60); //检查HbO2和Hb的变化频率是否一致 if (s1_max_index == s2_max_index) { //心率计算 uint16_t Heart_Rate = 60 SAMPLES_PER_SECOND s2_max_index / FFT_N; g_blooddata.heart = Heart_Rate - 10; //血氧含量计算 float sp02_num = (s2[s1_max_index].real * s1[0].real) /(s1[s1_max_index].real * s2[0].real); sp02_num = (1 - sp02_num) * SAMPLES_PER_SECOND + CORRECTED_VALUE; g_blooddata.SpO2 = sp02_num; //状态正常 g_blooddata.state = BLD_NORMAL ; } else //数据发生异常 { g_blooddata.heart = 0; g_blooddata.SpO2 = 0; g_blooddata.state = BLD_ERROR ; } //结束变换显示 //Gui_DrawFont_GBK16(102,2,GREEN,BLACK,"FFT"); } } 如果是达到了FFT的数据采集数量，则进行fft转换，得到血氧、心率的数值，同时更新标志位，通知显示任务进行显示。 5、在TouchGFX的model.c的tick周期函数中，实现图表更新 if (g_blooddata.update >= 8) { //清除图标更新标志位 g_blooddata.update = 0; //血液波形数据更新 blood_wave_update(); //绘制波形 //tft_draw_wave(); modelListener->draw_wave( g_BloodWave.HpO25,g_BloodWave.Hp5); } //转换后的数据更新 if (g_blooddata.display >= 1) { //清除更新标志位 g_blooddata.display = 0; //显示血液状态信息 modelListener->max30100_draw_State(g_blooddata.state,g_blooddata.SpO2,g_blooddata.heart); //心率血氧数据刷新 //tft_draw_hrsp(); } 7、view的显示函数： void Screen1View::max30100_draw_State (bool state, float SpO2, int heart) { if (!state) { Unicode::snprintf (textStateBuffer, 20, "Nomarl"); textState.invalidate (); //刷新 } else { Unicode::snprintf (textStateBuffer, 20, "ERROR"); textState.invalidate (); //刷新 } Unicode::snprintf (textHRBuffer, TEXTHR_SIZE , "%d", heart); textHR.invalidate (); Unicode::snprintfFloat (textSpo2Buffer, TEXTSPO2_SIZE , "%.1f",SpO2); textSpo2.invalidate (); //把数据添加进曲线 } void Screen1View::draw_wave (float SpO2,int heart) { dynamicGraHR.addDataPoint(heart); dynamicGraphSpO2.addDataPoint(SpO2); } 函数max30100_draw_State，实现了对状态、血氧、心率的更新。函数draw_wave，就是简单的新点新增到图表中，由TouchGFX实现图形的自主显示。 【总结】 MAX30100的工程实现是学习githug上的基于stm32f103的代码工程进行移植实现的。相比于使用tft的画线提示，TouchGFX给了强大的图形实现工程，只需要通过简单的设计，就可以实现复杂的功能。 |
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