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基于【STM32H735-DK】指尖血氧心率监护仪

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作者：lugl 2024-03-25 18:17:05 0 182007

项目名称

指尖血氧心率监护仪

项目主题

人机界面（GUI） 传感器 健康 

项目简介

使用【STM32H735-DK】与血氧传感器MAX30100组成的综合采集系统 ，通过采心血氧数据通过FFT数法，生成数据并通过TouchGFX显示。

项目图片

软硬件框图

演示视频

项目代码仓库

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

图片1.png

3、再创建两个texArea,用于显示心率与血氧浓度：

图片3.png图片2.png

4、放置两个图表控件，用于显示血氧与心跳的图形。

图片4.png

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：

图片5.png

6、程序组织实现的流程图如下

图片6.png

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。

图片7.png

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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