MAX30102脉搏血氧仪和心率传感器（含寄存器介绍）_max30102心率算法详解

动机

最近在学习使用MAX30102传感器，但网络上的文章大都只是给出示例代码而没有较为详细的介绍，本文章结合官方文档和网上资料，记录并分享我对该传感器的认识。文章末尾给出基于Arduino的简单的MAX30102库，注释较为详细。该代码在ESP8266上可运行，但只实现了简单的数据访问。

MAX30102简介

MAX30102脉搏血氧仪和心率传感器包含两个LED，分别发射红光(RED)和红外光(IR)，光线照射进人体组织后一部分被吸收，另一部分反射光被集成的光电传感器捕获、转变为电信号。两种光的电信号都会呈现出具有直流(DC)成分的交流(AC)信号，AC成分的频率就是脉搏频率，使用任何一个电信号就能获得心跳频率。

血氧浓度(SpO₂)的计算需要同时使用两个电信号，估算SpO₂，以下线性近似公式来自MAX3010X用户手册：
R = AC red / DC red AC ir / DC ir SpO 2 = ( 104 − 17 R ) × 100 %

$$\begin{align} R &= \frac{\text{AC}_\text{red}/\text{DC}_\text{red}}{\text{AC}_\text{ir}/\text{DC}_\text{ir}} \\ \text{SpO}_2 &= (104-17R) \times 100\% \end{align}$$ RSpO2​​=ACir​/DCir​ACred​/DCred​​=(104−17R)×100%​​

使用方法

该传感器使用IIC总线与主机通信，通过读写传感器上的寄存器控制它的运转。在Arduino中，读寄存器大致需要以下步骤：

Wire.beginTransmission(ADDRESS_OF_MAX30102);	//select slave
Wire.write(ADDRESS_OF_REGISTER);	//send the register's address
Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(ADDRESS_OF_MAX30102, sizeof(required_data));	// ask for reading
if (Wire.available()) {
	int val = Wire.read();	//read 1 byte from max30102
	// ... continue to read if required_data is more than 1 byte.
}
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写寄存器与其类似：

Wire.beginTransmission(ADDRESS_OF_MAX30102);
Wire.write(ADDRESS_OF_REGISTER);
Wire.write(one_byte_of_data);	//write1 byte to max30102
Wire.endTransmission();
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寄存器介绍

以下主要介绍我在编程中使用到的寄存器和寄存器位，更详细的内容可以查看MAX30102数据手册

0x00-0x01 中断状态(1)、(2)

MAX30102传感器具有一个中断引脚，当传感器发生某些事件后，该引脚会从高电平跳变为低电平，触发主机的中断事件。该中断引脚只有一根，所以主机需要读取中断状态寄存器来判断引起中断的事件。

其中某一比特为1则表示该事件发生。

• A_FULL：传感器片上的FIFO缓存将要满，“将满”的标准可以在其它寄存器内设置。
• PPG_RDY：一个采样完成，主机可以读取一个FIFO中的样本。
• PWR_RDY：芯片上电完成。
• DIE_TEMP_RDY：MAX30102带有一个温度传感器，DIE_TEMP_RDY表示温度转换完成，主机可以访问寄存器获取温度数值。

0x02-0x03 中断使能(1)、(2)

即可读也可写，对应0x00和0x01的中断比特，置1表示可以由该事件引起中断。

0x04-0x07 FIFO

• FIFO_WR_PTR：MAX30102的FIFO可以容纳32个样本，FIFO_WR_PTR指向下一个样本要写入的位置。
• FIFO_RD_PTR：指向下一个要读取的位置。
• OVF_COUNTER：主机可以设置让传感器丢弃旧数据以容纳新数据，OVF_COUNTER记录了有多少个旧数据被覆盖（丢弃）。
• FIFO_DATA：主机通过该寄存器读取采样结果。在血氧模式下，主机申请读取该寄存器后，从机会返回6字节数据，前3字节是红光信号的比特17到比特16(前6比特是无效数据)、比特15到比特8以及比特7到比特0；后3字节则是红外光信号，比特排列方式与红光相同。

一般在初始化时将FIFO_WR_PTR、FIFO_RD_PTR和OVF_COUNTER设置为0。

0x08 FIFO配置

• SMP_AVE：这3比特控制传感器如何处理采样结果，当设置为000，传感器不做处理直接压进FIFO、触发PPG_RDY中断；当设置为101，传感器每收集32个样本做平均后才会将结果压入FIFO，触发中断。当SMP_AVE在000到101之间变化时，每增加1，参与平均的样本数翻倍。超过101后仍是32。
• FIFO_ROLLOVER_EN：控制传感器在FIFO满时，能否用新数据覆盖旧数据。
• FIFO_A_FULL：设置FIFO里剩余多少个空位就算将要满，触发A_FULL中断。该值从0x0到0xF间变化，如设置为0x3则表示剩余3个空位就是将要满了。

0x09 模式配置

• SHDN：进入省电模式，在该模式下寄存器内容不会丢失，并且还能执行读写操作。
• RESET：将所有寄存器的内容恢复到默认值。
• MODE：设置传感器当前运行在哪个模式，能获取哪些样本值。
  • 010：心率模式
  • 011：血氧模式
  • 111：多LED模式

0x0A SpO₂配置

• SPO2_ADC_RGE：设置ADC的最大量程，影响最低有效位对应的电压值。当设置为00，最大量程是2048nA，每增加1则量程翻倍。
• SPO2_SR：SpO₂模式下的每秒采样数，该参数并不能随意设置，真实的采样速率还会受到LED_PW影响。最小的000对应50Hz，最大的111对应3200Hz。
• LED_PW：控制红光和红外光的脉冲宽度，进而影响ADC的分辨率，设置为00时分辨率是15比特，设置为11时能达到18比特，但脉冲越宽采样频率就越会受限。

实际的采样速率由SPO2_SR和LED_PW共同决定，在心率模式和血氧模式下不同的搭配方法会出现不同的采样速率，具体可见MAX30102数据手册的Table 11. SpO₂ Mode (Allowed Settings)及Table 12. HR Mode (Allowed Settings)。

0x0C-0x0D LED脉冲波幅

这两个寄存器控制两个LED的典型电流大小，影响亮度。在MAX30102上，LED1是红光LED、LED2是红外光LED。LED_PA在0x00到0xFF之间变化，值越大所需的电流就越大。

0x11-0x12 多LED模式配置

由于我所需的功能在SpO₂模式下就能完成，所以并没有详细了解多LED模式。

0x1F-0x21 芯片温度

• TEMP_EN：当主机将该比特设置为1后芯片开始采集一次温度、转换，完成后从机自动将该位复位，触发DIE_TEMP_RDY，主机便可读取0x1F和0x20寄存器获得温度值。
• TINT：8位有符号数，表示摄氏温度的整数部分。
• TFRAC：4位无符号数，对应设施温度的小数部分，最低有效位对应0.0625摄氏度。

加入TINT=0x25=37₁₀、TFRAC=0x8=8₁₀，则实际温度是$37+8\times 0.0625=37.5^{\circ }\text{C}$。

0xFE-0xFF PART ID

• REV_ID：版本号ID，不同渠道获得的传感器可能有不同的值。
• PART_ID：部件ID，固定为0x15，可以在通过读取该寄存器判断从机是否可能为MAX30102。

Arduino代码

MAX30102脉搏血氧仪和心率传感器库(Arduino)

参考资料

1. MAX30102: High-Sensitivity Pulse Oximeter and Heart-Rate Sensor for Wearable Health Data Sheet (Rev.1)
2. UG-6409: MAX3010x EV Kits: Recommended Configurations and Operating Profiles
3. 全网第一个max30102的详细讲解！！返校后的第一个视频！！感叹号