血氧饱和度传感器MAX30102模块的原理及参数

CHANBAEK 2023-03-07 44575

描述

一．简介

MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块（芯片）。它集成了一个660nm红光LED、880nm红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。可通过软件关断模块，待机电流为零，实现电源始终维持供电状态,可运用于低功耗产品中。

MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的3.3V用于内部LED的电源，标准的I2C兼容的通信接口。市面很多都将MAX30102芯片集成在一个PCB模块上，内部增加一个1.8V和3.3V LDO稳压电路，可对模块单独供5.0V电源，方便开发者进行开发。

二． MAX30102原理及参数

1. 芯片内部框图

从框图看，芯片可分为两部分，一部分为模拟信号采集电路，通过RED和IR灯发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过PD管将光信号转化为电信号，最终通过18bit ADC转换器转化为数字信号。

第二部分为数字处理电路，将ADC转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于缓冲区内；单片机通过IIC接口读写芯片内部寄存器，读取出相应的数据；

2. 模块电路

芯片内部有3.3V-5.0V的LED电源和1.8V的逻辑电源，所以模块带有两路稳压电路，将5V电源分别转化为3.3V和1.8V；由于LED驱动电源的供电范围为3.3V-5.0V，3.3V稳压电路可省去。

由于MAX30102的逻辑电路的IIC通信电平为1.8V，这与我们常用的51单片机和STM32单片机的引脚电平不匹配。

这里有个解决方法，因为MAX30102的SDA、SCL、INT引脚为开漏，

可以将模块上的R1、R2、R3电阻去掉，对于51单片机来说，在SDA、SCL、INT引脚上分别加一个4.7-10k电阻上拉至5V；对于STM32单片机，只需要将相应的控制引脚配置为上拉模式即可。

模块只需要接上5V电源，SDA、SCL、INT引脚与单片机连接即可； IRD、RD一般不接，以STM32单片机接线为例（单片机采用模拟IIC的控制方式），如图：

三． MAX30102编程

MAX30102内部集成了一整套完整信号采集电路，包括光信号发射及接收、AD转换、环境光干扰消除及数字滤波部分，只将数字接口留给用户。用户只需通过单片机的IIC接口（可用模拟IIC），对MAX30102内部的寄存器进行读写操作，就可以得到转换后的光强度数值。最后需要通过相应的处理算法计算出心率值和血氧饱和度。

对于MAX30102的驱动程序，将其拆分出来，可分为标准IIC程序和MAX30102寄存器的读写操作，实现这两部分的编程，便完成MAX30102的驱动；由于IIC程序比较常用，这里就不例举出来。在完成IIC的通信程序后，实现以下程序；

（1）MAX30102写寄存器函数

u8 max30102_Bus_Write(u8 Register_Address, u8 Word_Data)
{
  /* 采用串行EEPROM随即读取指令序列，连续读取若干字节 */
  /* 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(max30102_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;
}

（2）MAX30102读寄存器函数

u8 max30102_Bus_Read(u8 Register_Address)
{
  u8  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(max30102_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(max30102_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_ReadByte();/* 读1个字节 */
    i2c_NAck();/* 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;
}

（3）MAX30102读缓冲器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：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(max30102_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(max30102_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_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个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) */
    else
      i2c_Ack();
     Word_Data[i][1] = (((u16)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();
}

（4）MAX30102初始化（可根据自己的实际情况更改相应的配置）

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）数据采集

此程序只演示读取出温度，读取血氧数据需要通过max30102_FIFO_Read函数读出；

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("当前温度 = %d\\r\\n",temp_num);
  }
}

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