血氧飽和度傳感器MAX30102模塊的原理及參數(shù)

一． 簡介

MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊（芯片）。 它集成了一個660nm紅光LED、880nm紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。 可通過軟件關(guān)斷模塊，待機電流為零，實現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài),可運用于低功耗產(chǎn)品中。

MAX30102采用一個1.8V電源和一個獨立的3.3V用于內(nèi)部LED的電源，標準的I2C兼容的通信接口。 市面很多都將MAX30102芯片集成在一個PCB模塊上，內(nèi)部增加一個1.8V和3.3V LDO穩(wěn)壓電路，可對模塊單獨供5.0V電源，方便開發(fā)者進行開發(fā)。

二． MAX30102原理及參數(shù)

1. 芯片內(nèi)部框圖

從框圖看，芯片可分為兩部分，一部分為模擬信號采集電路，通過RED和IR燈發(fā)出特定波長的光，采集人體反射回來的光，經(jīng)過PD管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終通過18bit ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

第二部分為數(shù)字處理電路，將ADC轉(zhuǎn)換出來的原始數(shù)據(jù)進行濾波處理后放置于緩沖區(qū)內(nèi)； 單片機通過IIC接口讀寫芯片內(nèi)部寄存器，讀取出相應的數(shù)據(jù)；

2. 模塊電路

芯片內(nèi)部有3.3V-5.0V的LED電源和1.8V的邏輯電源，所以模塊帶有兩路穩(wěn)壓電路，將5V電源分別轉(zhuǎn)化為3.3V和1.8V；由于LED驅(qū)動電源的供電范圍為3.3V-5.0V，3.3V穩(wěn)壓電路可省去。

由于MAX30102的邏輯電路的IIC通信電平為1.8V，這與我們常用的51單片機和STM32單片機的引腳電平不匹配。

這里有個解決方法，因為MAX30102的SDA、SCL、INT引腳為開漏，

可以將模塊上的R1、R2、R3電阻去掉，對于51單片機來說，在SDA、SCL、INT引腳上分別加一個4.7-10k電阻上拉至5V；對于STM32單片機，只需要將相應的控制引腳配置為上拉模式即可。

模塊只需要接上5V電源，SDA、SCL、INT引腳與單片機連接即可； IRD、RD一般不接，以STM32單片機接線為例（單片機采用模擬IIC的控制方式），如圖：

三． MAX30102編程

MAX30102內(nèi)部集成了一整套完整信號采集電路，包括光信號發(fā)射及接收、AD轉(zhuǎn)換、環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，只將數(shù)字接口留給用戶。 用戶只需通過單片機的IIC接口（可用模擬IIC），對MAX30102內(nèi)部的寄存器進行讀寫操作，就可以得到轉(zhuǎn)換后的光強度數(shù)值。 最后需要通過相應的處理算法計算出心率值和血氧飽和度。

對于MAX30102的驅(qū)動程序，將其拆分出來，可分為標準IIC程序和MAX30102寄存器的讀寫操作，實現(xiàn)這兩部分的編程，便完成MAX30102的驅(qū)動； 由于IIC程序比較常用，這里就不例舉出來。 在完成IIC的通信程序后，實現(xiàn)以下程序；

（1）MAX30102寫寄存器函數(shù)

u8 max30102_Bus_Write(u8 Register_Address, u8 Word_Data)
{
  /* 采用串行EEPROM隨即讀取指令序列，連續(xù)讀取若干字節(jié) */
  /* 第1步：發(fā)起I2C總線啟動信號 */
  i2c_Start();
  /* 第2步：發(fā)起控制字節(jié)，高7bit是地址，bit0是讀寫控制位，0表示寫，1表示讀 */
  i2c_SendByte(max30102_WR_address | I2C_WR);/* 此處是寫指令 */
  /* 第3步：發(fā)送ACK */
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第4步：發(fā)送字節(jié)地址 */
  i2c_SendByte(Register_Address);
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第5步：開始寫入數(shù)據(jù) */
  i2c_SendByte(Word_Data);
/* 第6步：發(fā)送ACK */
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 發(fā)送I2C總線停止信號 */
  i2c_Stop();
  return 1;/* 執(zhí)行成功 */
   cmd_fail: /* 命令執(zhí)行失敗后，切記發(fā)送停止信號，避免影響I2C總線上其他設備 */
/* 發(fā)送I2C總線停止信號 */
  i2c_Stop();
  return 0;
}

（2）MAX30102讀寄存器函數(shù)

u8 max30102_Bus_Read(u8 Register_Address)
{
  u8  data;
/* 第1步：發(fā)起I2C總線啟動信號 */
  i2c_Start();
/* 第2步：發(fā)起控制字節(jié)，高7bit是地址，bit0是讀寫控制位，0表示寫，1表示讀 */
  i2c_SendByte(max30102_WR_address | I2C_WR);/* 此處是寫指令 */
/* 第3步：發(fā)送ACK */
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第4步：發(fā)送字節(jié)地址， */
  i2c_SendByte((uint8_t)Register_Address);
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第6步：重新啟動I2C總線。下面開始讀取數(shù)據(jù) */
  i2c_Start();
/* 第7步：發(fā)起控制字節(jié)，高7bit是地址，bit0是讀寫控制位，0表示寫，1表示讀 */
  i2c_SendByte(max30102_WR_address | I2C_RD);/* 此處是讀指令 */
/* 第8步：發(fā)送ACK */
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第9步：讀取數(shù)據(jù) */
  {
    data = i2c_ReadByte();/* 讀1個字節(jié) */
    i2c_NAck();/* 最后1個字節(jié)讀完后，CPU產(chǎn)生NACK信號(驅(qū)動SDA = 1) */
  }
/* 發(fā)送I2C總線停止信號 */
  i2c_Stop();
  return data;/* 執(zhí)行成功 返回data值 */
  cmd_fail: /* 命令執(zhí)行失敗后，切記發(fā)送停止信號，避免影響I2C總線上其他設備 */
/* 發(fā)送I2C總線停止信號 */
  i2c_Stop();
  return 0;
}

（3）MAX30102讀緩沖器FIFO

void max30102_FIFO_Read(u8 Register_Address,u16  Word_Data[][2],u8 count)
{
  u8 i=0;
  u8 no = count;
  u8 data1, data2;
/* 第1步：發(fā)起I2C總線啟動信號 */
  i2c_Start();
/* 第2步：發(fā)起控制字節(jié)，高7bit是地址，bit0是讀寫控制位，0表示寫，1表示讀 */
  i2c_SendByte(max30102_WR_address | I2C_WR);/* 此處是寫指令 */
/* 第3步：發(fā)送ACK */
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第4步：發(fā)送字節(jié)地址， */
  i2c_SendByte((uint8_t)Register_Address);
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第6步：重新啟動I2C總線。下面開始讀取數(shù)據(jù) */
  i2c_Start();
/* 第7步：發(fā)起控制字節(jié)，高7bit是地址，bit0是讀寫控制位，0表示寫，1表示讀 */
  i2c_SendByte(max30102_WR_address | I2C_RD);/* 此處是讀指令 */
/* 第8步：發(fā)送ACK */
  if (i2c_WaitAck() != 0)
  {
    goto cmd_fail;/* EEPROM器件無應答 */
  }
/* 第9步：讀取數(shù)據(jù) */
  while (no)
  {  
    data1 = i2c_ReadByte();
    i2c_Ack();
    data2 = i2c_ReadByte();
    i2c_Ack();
    Word_Data[i][0] = (((u16)data1 << 8) | data2);  //
    data1 = i2c_ReadByte();
    i2c_Ack();
    data2 = i2c_ReadByte();
    if(1==no)
      i2c_NAck();/* 最后1個字節(jié)讀完后，CPU產(chǎn)生NACK信號(驅(qū)動SDA = 1) */
    else
      i2c_Ack();
     Word_Data[i][1] = (((u16)data1 << 8) | data2);
    no--;
    i++;
  }
/* 發(fā)送I2C總線停止信號 */
  i2c_Stop();
  cmd_fail: /* 命令執(zhí)行失敗后，切記發(fā)送停止信號，避免影響I2C總線上其他設備 */
/* 發(fā)送I2C總線停止信號 */
  i2c_Stop();
}

（4）MAX30102初始化（可根據(jù)自己的實際情況更改相應的配置）

void max30102_init()
{
  max30102_Bus_Write(0x09, 0x0b);  //mode configuration : temp_en[3]      MODE[2:0]=010 HR only enabled    011 SP02 enabled
  max30102_Bus_Write(0x01, 0xF0); //open all of interrupt
  max30102_Bus_Write(INTERRUPT_REG, 0x00); //all interrupt clear
  max30102_Bus_Write(0x03, 0x02); //DIE_TEMP_RDY_EN
  max30102_Bus_Write(0x21, 0x01); //SET   TEMP_EN
  max30102_Bus_Write(0x0a, 0x47); //SPO2_SR[4:2]=001  100 per second    LED_PW[1:0]=11  16BITS
  max30102_Bus_Write(0x0c, 0x47);
  max30102_Bus_Write(0x0d, 0x47);
}

（5）數(shù)據(jù)采集

此程序只演示讀取出溫度，讀取血氧數(shù)據(jù)需要通過max30102_FIFO_Read函數(shù)讀出；

int main(void)
{
  u8 temp_num=0;
  main_init();
  max30102_init();
  printf("\\r\\n MAX30102  init  \\r\\n");
  while(1)
  {
    delay_ms(1000);            
    max30102_init();
    temp_num = max30102_Bus_Read(0x1f);
    printf("當前溫度 = %d\\r\\n",temp_num);
  }
}