基于MAX30100傳感器心率檢測實現(xiàn)的作品報告

1、 _學(xué)年度實踐學(xué)期學(xué)生實踐報告年 月 日 年 月 日項目名稱： 指導(dǎo)教師： 課 題：系 別： 專業(yè)班級： 學(xué) 號：學(xué)生姓名： 摘 要 本學(xué)期的小學(xué)期實踐設(shè)計項目作品，為基于單片機MCU開發(fā)箱的心率傳感器開發(fā)，該主體采用IAP15W4K58S4型號 MCU單片機作為本項目的開發(fā)系統(tǒng)，以及基于MAX30100芯片的傳感器。電源供配采用MCU開發(fā)箱自帶的恒壓電源，數(shù)據(jù)顯示采用由兩片HC595動態(tài)驅(qū)動的8個數(shù)碼管?？紤]到對本項目作品的使用與數(shù)據(jù)采樣處理，本人采用最高具有16位精度的MAX30100芯片傳感器作為主要的心率數(shù)據(jù)采集模塊，MAX30100芯片內(nèi)部集成ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以及多個可讀寫寄存器，本

2、作品主要操作其中的FIFO寄存器進行數(shù)據(jù)采集。同時MAX30100芯片傳感器屬于I2C接口器件，故在程序開發(fā)中，采用I2C接口協(xié)議進行。關(guān)鍵詞：單片機MCU開發(fā)箱；MAX30100；傳感器；HC595；FIFO寄存器；I2C；免責(zé)申明：本報告為本人作為學(xué)生所作報告，報告中個別部分（圖片、偽代碼、芯片介紹等）存在局部摘取他人成果，本人已做出作品后現(xiàn)發(fā)出本報告純?yōu)榉窒韺W(xué)習(xí)，不做他途，故請大家善取善用。1目 錄一、項目目的 31.1、項目目的 31.2、項目目標(biāo) 3二、項目內(nèi)容及硬件設(shè)計 42.1、系統(tǒng)器件介紹 42.2、各電路模塊4三、軟件設(shè)計 53.1、程序開發(fā)使用軟件 53.2、程序流程圖 5

3、3.3、代碼示例（main函數(shù)部分） 63.4、 算法問題及分析 83.4.1、關(guān)于整體代碼框架中存在的問題 83.4.2、關(guān)于對MAX30100芯片的硬件驅(qū)動 83.4.3、關(guān)于在驅(qū)動FIFO時需要注意的細(xì)節(jié) 93.4.4、關(guān)于對項目硬件調(diào)試 9四、總結(jié)與展望 10五、附錄 11作品圖片 112一、項目目的及目標(biāo)1.1、項目目的：隨著人類的科技文明發(fā)展的進步，人們越發(fā)開始關(guān)注人們自身生活的質(zhì)量及健康安全，而隨可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，心率統(tǒng)計也從此開始全面進入人們的視野及生活。為何人們關(guān)注心率統(tǒng)計?事實上，心率數(shù)據(jù)可以反映人身的多項健康指標(biāo)，諸如在睡眠情況、運動時所處狀態(tài)，甚至也能根據(jù)對人身

4、實時的心率數(shù)據(jù)來跟蹤人的內(nèi)心情緒的波動。本項目的選題方向，緊扣時代及社會熱點，在設(shè)計研究上，對算法的深入，也同時揭開了可穿戴設(shè)備的神秘面紗，讓我們更接近實際學(xué)習(xí)應(yīng)用的學(xué)習(xí)及實踐。1.2、項目目標(biāo)：在本項目的設(shè)計實踐中，本小組成員都期待在硬件設(shè)計完備的基礎(chǔ)上，通過對MAX30100芯片的深入，進而自主設(shè)計心率算法及軟件框架來實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的心率檢測。3二、項目內(nèi)容及硬件設(shè)計2.1、系統(tǒng)器件介紹：本次項目作品，主體采用MAX30100傳感器芯片模塊，及MCU單片機開發(fā)箱，其中MAX30100是一款集成有脈搏血氧儀和心率監(jiān)測傳感器的模塊。該器件集成有兩個LED、一個光電探測器, 經(jīng)過優(yōu)化的光學(xué)器件和低

5、噪聲模擬信號處理器，可檢測脈搏血氧及心率信號。MAX30100采用1.8V和3.3V的電源電壓。可通過軟件來關(guān)斷電源，待機模式下的電流消耗量可忽略不計，因而可以始終保持電源連接。典型應(yīng)用有健身輔助設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備和可穿戴設(shè)備。其中，MAX30100電路整體視圖如下：MCU單片機開發(fā)箱，是具備IAP15W4K58S4型號MCU芯片的單片機開發(fā)箱，箱上具有由兩片HC595動態(tài)驅(qū)動的8個數(shù)碼管，及4*4物理按鍵，及兩個中斷物理按鍵。以上兩個都支持I2C接口。數(shù)據(jù)顯示MCU數(shù)據(jù)處理MAX30100數(shù)據(jù)采集按鍵中斷4*4按鍵控制2.2、各電路模塊：4三、軟件設(shè)計3.1、程序開發(fā)使用軟件：本項目程序開發(fā)

6、所使用軟件為Keil for C51 的v4版本，及STC公司所提供的芯片燒寫軟件。其中，本小組在此提出幾點注意事項。在本項目的程序開發(fā)過程中，本小組成員發(fā)現(xiàn)，在程序的功能擴展中，對所使用的程序開發(fā)軟件有一定要求。本程序代碼基本超出未激活版本Keil for C51所給的空間，所以在程序開發(fā)中，既要求程序開發(fā)人員對程序空間要節(jié)約使用，對代碼多進行優(yōu)化，同時即使節(jié)約使用，在程序開發(fā)末期也可能出現(xiàn)空間溢出，所以也要求程序開發(fā)軟件處于激活狀態(tài)，如此才能得到更多的空間資源。另外在程序燒寫過程中，要求操作開發(fā)人員依據(jù)程序燒寫流程進行，由此避免硬件不必要的損壞，及實驗錯誤等。開始初始化掃描鍵盤掃描中斷計時

7、采集處理數(shù)據(jù)(讀、寫、轉(zhuǎn)換)掃描顯示結(jié)束3.2、程序流程圖：53.3、軟件設(shè)計(main函數(shù)部分)：int main()u8 i;P0M1 = 0;P0M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P1M1 = 0;P1M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P2M1 = 0;P2M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P3M1 = 0;P3M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P4M1 = 0;P4M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P5M1 = 0;P5M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P6M1 = 0;P6M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口P7M1 = 0;P7M0 = 0;/設(shè)置為準(zhǔn)雙向口display_index = 0;IE1 = 0;/

8、外中斷1標(biāo)志位IE0 = 0;/外中斷0標(biāo)志位EX1 = 1;/INT1 EnableEX0 = 1;/INT0 EnableIT0 = 1;/INT0 下降沿中斷IT1 = 1;/INT1 下降沿中斷EA = 1;/允許總中斷AUXR = 0x80;/Timer0 set as 1T, 16 bits timer auto-reload, /使用Timer0的16位自動重裝來產(chǎn)生1ms節(jié)拍,程序運行于這個節(jié)拍下, 用戶修改MCU主時鐘頻率時,自動定時于1ms.TH0 = (u8)(Timer0_Reload / 256);/Timer0_Reload Timer 0 中斷頻率, 1000次/

9、秒 1msTL0 = (u8)(Timer0_Reload % 256);/通過 % / 分別獲取高低位時鐘值 u8 無符號8字節(jié)整型ET0 = 1;/Timer0 interrupt enable /時鐘中斷使能TR0 = 1;/Timer0 run/時鐘運行EA = 1;/允許總中斷for(i=0; i<8; i+)LED8i = 0x21;/上電消隱KeyHoldCnt = 0;/鍵按下計時KeyCode = 0;/給用戶使用的鍵碼, 116有效IO_KeyState = 0;IO_KeyState1 = 0;IO_KeyHoldCnt = 0;cnt50ms = 0;msecon

10、d = 0;ns = 0; n = 0; f = 0; K = 2; Hr_state = 1;6while(1)if(+cnt50ms >= 10)/20ms掃描一次行列鍵盤cnt50ms = 0;IO_KeyScan();if(KeyCode != 0)/有鍵按下if(KeyCode = 17)K = 0;if(KeyCode = 21)K = 1;if(KeyCode = 25)K = 2;KeyCode = 0;/*if(+msecond = 200 && K = 0)msecond = 0;ReadMAX30100_Temp();DisplayMAX30100_

11、Temp();if(+msecond = 200 && K = 1)msecond = 0;ReadMAX30100_SpO2();DisplayMAX30100_SpO2(); */if(f && Hr_state)f = 0;ReadMAX30100_Hr();DisplayMAX30100_Hr(); 73.4、算法問題及分析：在本項目中，由于在硬件的設(shè)計及準(zhǔn)備上的完備，在項目進行的過程中，所遇見的問題基本集中于本項目的算法設(shè)計及軟件程序的框架設(shè)計之上。在以下的問題列舉與分析中，主要提及重要部分。3.4.1、 關(guān)于整體代碼框架中存在的問題:在整體代碼框架中

12、，如3.2中的程序流程圖所示，基本采用分段式的各部分模塊執(zhí)行而行進，再通過時鐘及外設(shè)（諸如鍵盤，或心率采樣行為）的中斷來響應(yīng)及作出反饋。其中，在時鐘中斷中，由于MAX30100芯片的硬件設(shè)計，基本都存在對時鐘延時的需要，一為確保采樣準(zhǔn)確，二為實現(xiàn)硬件的時鐘響應(yīng)兼容。而正由于此，當(dāng)時鐘延時積累超出一定范圍時，對時鐘中斷的設(shè)計要求則不得不通過補償方式，不斷調(diào)試修正。另外，時鐘延時也在一定程度上影響外設(shè)的響應(yīng)。所以，在整體代碼框架中，非常需要注意在循環(huán)、中斷、反饋及實際硬件影響。3.4.2、關(guān)于對MAX30100芯片的硬件驅(qū)動:通過查看MAX30100芯片手冊，以下給出關(guān)于對MAX30100關(guān)鍵部分

13、的FIFO讀寫的偽代碼。偽代碼，示例如下：Pseudo-Code Example of Reading Data from FIFO/ 從FIFO中讀取數(shù)據(jù)的偽代碼示例First transaction: Get the FIFO_WR_PTR:/ 第一次交易：獲得fifo_wr_ptr：START;Send device address + write modeSend address of FIFO_WR_PTR;REPEATED_START;Send device address + read modeRead FIFO_WR_PTR;STOP;8The central processo

14、r evaluates the number of samples to be read from the FIFO: / 中央處理器評估從FIFO讀取的樣本數(shù)量：NUM_AVAILABLE_SAMPLES = FIFO_WR_PTR - FIFO_RD_PTR(Note: pointer wrap around should be taken into account)NUM_SAMPLES_TO_READ =< less than or equal to NUM_AVAILABLE_SAMPLES >Second transaction: Read NUM_SAMPLES_TO

15、_READ samples from the FIFO: / 第二次交易：從FIFO讀取num_samples_to_read樣品：START;Send device address + write modeSend address of FIFO_DATA;REPEATED_START;Send device address + read modefor (i = 0; i < NUM_SAMPLES_TO_READ; i+) Read FIFO_DATA;Save IR15:8;Read FIFO_DATA;Save IR7:0;Read FIFO_DATA;Save R15:8;R

16、ead FIFO_DATA;Save R7:0;STOP;Third transaction: Write to FIFO_RD_PTR register. If the second transaction was successful, / 第三次交易：寫fifo_rd_ptr寄存器。如果第二次交易成功， FIFO_RD_PTR points to the next sample in the FIFO, and this third transaction is not necessary. / fifo_rd_ptr指向FIFO的下一個樣品，這第三次交易不是必要的。 Otherwise

17、, the processor updates the FIFO_RD_PTR appropriately, so that the samples are reread./ 另外，處理器適當(dāng)?shù)馗耭ifo_rd_ptr，使得樣品得以重讀。START;Send device address + write modeSend address of FIFO_RD_PTR;Write FIFO_RD_PTR;STOP;83.4.3、關(guān)于在驅(qū)動FIFO時需要注意的細(xì)節(jié)：在寫MAX30100芯片硬件驅(qū)動時主要問題在于對FIFO的操作上，在此需要注意的細(xì)節(jié)主要體現(xiàn)在，在使用IIC協(xié)議對FIFO的寄存器進

18、行操作時，首先根據(jù)項目需求，如采集樣本數(shù)及精度等，配置config寄存器，接著需要對FIFO的各個寄存器進行清零（寫0x00），其中包括寫寄存器、讀寄存器、計數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，最后才進行寫操作或讀操作。3.4.4、關(guān)于對項目硬件調(diào)試:在程序基本完成時，由于要在實際環(huán)境下完成心率數(shù)據(jù)的采集及處理，所以在硬件調(diào)試中，必然根據(jù)實際測得數(shù)據(jù)，計算出實際測量誤差，再由此修改調(diào)節(jié)在中斷、延時、反饋、采集數(shù)量、樣本精度等過程中的數(shù)據(jù)參數(shù)。硬件調(diào)試中，重點注意誤差分析。本項目的實驗誤差，一體現(xiàn)在實驗操作，二體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理及算法優(yōu)化上。所以，在實驗操作上，要求實驗人員多次重復(fù)，控制操作流程；在數(shù)據(jù)處理及算法優(yōu)化上，要求程序開發(fā)人員對