【STM32H735-DK 测评】指尖血氧动态监护仪

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【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[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[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[0];
s1[g_fft_index].imag= 0;
s2[g_fft_index].real = fifo_word_buff[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.real=sqrtf(s1.real*s1.real+s1.imag*s1.imag);
s2.real=sqrtf(s2.real*s2.real+s2.imag*s2.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.HpO2*5,g_BloodWave.Hp*5);
}
//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。
【视频分享】