中级
30 分钟

使用 SFH 7072 和 MK64FN1M0VDC12 监控心跳。

聆听生命的节奏。

Heart Rate 5 Click with Clicker 2 for Kinetis

已发布 6月 27, 2024

点击板

Heart Rate 5 Click

开发板

Clicker 2 for Kinetis

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

MK64FN1M0VDC12

我们的心率监测器旨在通过准确及时的心率测量帮助个人掌控他们的心血管健康,从而实现更好的自我管理。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Heart Rate 5 Click包括模拟前端和光学前端。模拟前端IC的主要任务是驱动LED并调节光电二极管(PD)接收到的信号,通过消除背景噪声和环境光对测量的影响。此外,它还将测量转换为数字信息,供MCU使用。为了使转换准确,模拟前端设备不能引入任何假象到读数中。Heart Rate 5 click采用了AFE4404,这是来自德州仪器的集成模拟前端(AFE)器件,用于实现准确的测量。该IC支持最多三个切换LED和一个PD元件。通过集成的跨阻放大器部分(TIA)将PD元件的电流转换为线性电压,以便可以由特征22位ADC转换器进行采样。信号链在整个接收通道中保持完全差分,以实现对共模噪声和电源噪声的良好抑制。AFE IC使用I2C通信,其引脚路由到相应的mikroBUS™ I2C引脚。作为光学前端,Heart Rate 5 click使用来自OSRAM的顶级集成BIOFY® SFH 7072传感器,该传感器具有两个绿色LED、一个红色LED、一个红外LED和两个PD,其中一个是用于HRM的宽带PD,而另一个是用于SpO2读数的红外带通PD。这些LED专为HRM和SpO2测量应用而设计,提供了一组校准波长,用于LED和PD。由于SF7072传感器提供的元素比ALS支持的要多,因此通过翻转标记为MODE SEL的板载SMD开关进行选择:可以在宽带PD

和IR带PD之间进行选择用于HRM读数。开关SW1的两个极需要保持在相同的位置(都向左或都向右),因为它们路由到各自PD元件的每一端。模拟前端通过定期重复的操作(脉冲重复频率或PRF)工作。每个周期有四个采样阶段。四个不同的读数存储在单独的24位输出寄存器中。TIA输出上还有四个滤波器,允许来自PD的脉冲通过ADC,将发光LED处于打开状态的时间隔离开,并在每个采样阶段切换到不同的滤波器。采样阶段由LED模式确定:两种LED模式或三种LED模式。这会影响相应采样周期中脉冲的LED是哪些——LED1和LED2,或LED1、LED2和LED3。AFE4404 IC还集成了一个DAC来取消PD的直流偏置。当TIA增益设置为较高值时,它将放大PD信号的直流分量。这个分量需要从信号路径中移除以允许ADC转换,因此根据现有的DC偏置,在输入阶段引入具有相反电流方向的DAC。这允许从PD放大信号,因此,更高的AC信号检测灵敏度。LED驱动器允许为每个通道分别控制6位LED电流。这使得在0和50mA之间有63个步骤。该范围可以扩展到100mA。LED驱动器电压可以通过板载SMD跳线(标记为LED SUP)设置。它提供了3.3V和5V之间的选择。ADC_RDY引脚向主机MCU提供中断,使其免于不断轮询传感器以获

取数据。当PRF周期结束时,此引脚设置为高逻辑电平,允许读取四个输出数据寄存器。PRF可以在每秒10到1000个样本之间变化。此引脚路由到mikroBUS™的INT引脚。AFE4404 IC可以内部和外部时钟。建议以与主机MCU相同的时钟驱动Heart Rate 5 Click,以进行精确和同步的测量。输入时钟可以高达60MHz,但IC的内部分频器必须设置,以使时钟保持在4MHz到6MHz的范围内。当由内部时钟驱动时,设备运行在4MHz。默认情况下选择外部时钟输入。时钟信号可以通过mikroBUS™的PWM引脚引入。上电后,AFE IC需要进行复位。此IC的RESETZ引脚路由到mikroBUS™的RST引脚,使其可以由主机MCU进行复位。将此信号拉低约25µs到50µs将导致设备复位。将此引脚拉高超过200µs将使设备进入POWER DOWN模式。也可以通过I2C设置相应寄存器中的位来复位设备。板载上拉电阻将此引脚拉到高逻辑电平。有关寄存器及其设置方式的更多信息可以在AFE4404 IC数据手册中找到。但是,包含的库包含了允许轻松配置和使用Heart Rate 5 Click的函数。包含的示例(演示)应用程序演示了其功能,并可用作自定义设计的参考。

Heart Rate 5 Click top side image
Heart Rate 5 Click bottom side image

功能概述

开发板

Clicker 2 for Kinetis 是一款紧凑型入门开发板,它将 Click 板™的灵活性带给您喜爱的微控制器,使其成为实现您想法的完美入门套件。它配备了一款板载 32 位 ARM Cortex-M4F 微控制器,NXP 半导体公司的 MK64FN1M0VDC12,两个 mikroBUS™ 插槽用于 Click 板™连接,一个 USB 连接器,LED 指示灯,按钮,一个 JTAG 程序员连接器以及两个 26 针头用于与外部电子设备的接口。其紧凑的设计和清晰、易识别的丝网标记让您能够迅速构建具有独特功能和特性

的小工具。Clicker 2 for Kinetis 开发套件的每个部分 都包含了使同一板块运行最高效的必要组件。除了可以选择 Clicker 2 for Kinetis 的编程方式,使用 USB HID mikroBootloader 或外部 mikroProg 连接器进行 Kinetis 编程外,Clicker 2 板还包括一个干净且调节过的开发套件电源供应模块。它提供了两种供电方式;通过 USB Micro-B 电缆,其中板载电压调节器为板上每个组件提供适当的电压水平,或使用锂聚合物 电池通过板载电池连接器供电。所有 mikroBUS™ 本

身支持的通信方法都在这块板上,包括已经建立良好的 mikroBUS™ 插槽、重置按钮和几个用户可配置的按钮及 LED 指示灯。Clicker 2 for Kinetis 是 Mikroe 生态系统的一个组成部分,允许您在几分钟内创建新的应用程序。它由 Mikroe 软件工具原生支持,得益于大量不同的 Click 板™(超过一千块板),其数量每天都在增长,它涵盖了原型制作的许多方面。

Clicker 2 for Kinetis dimensions image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

1024

硅供应商

NXP

引脚数

121

RAM (字节)

262144

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
Reset/Power-down
PB11
RST
NC
NC
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
External Clock Input
PA10
PWM
ADC Ready/Interrupt
PB13
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PD8
SCL
I2C Data
PD9
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Heart Rate 5 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Clicker 2 for PIC32MZ front image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Clicker 2 for Kinetis作为您的开发板开始。

Clicker 2 for PIC32MZ front image hardware assembly
GNSS2 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
Micro B Connector Clicker 2 Access - upright/background hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Flip&Click PIC32MZ MCU step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

这个库包含用于心率 5 Click 驱动程序的 API。

关键函数:

  • heartrate5_write_reg - 心率 5 寄存器写入函数

  • heartrate5_read_reg - 心率 5 寄存器读取函数

  • heartrate5_sw_reset - 心率 5 软件复位函数

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * @file main.c
 * @brief HeartRate5 Click example
 *
 * # Description
 * This example showcases ability for device to read Heart Rate 5 Click Board
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 *
 * ## Application Init
 * Configures the micro controller for communication and initializes the click board. 
 *
 * ## Application Task
 * This section shows how the data is processed and sent to the MikroPlot application.
 * 
 * @note For testing this example application SerialPlot was used. 
 * There you can see heart rate graphicly shown.
 *
 * @author Stefan Ilic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "heartrate5.h"

static heartrate5_t heartrate5;
static log_t logger;
static uint32_t sensor_value;
static uint32_t time = 0;

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    heartrate5_cfg_t heartrate5_cfg;  /**< Click config object. */

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, " Application Init " );

    // Click initialization.
    heartrate5_cfg_setup( &heartrate5_cfg );
    HEARTRATE5_MAP_MIKROBUS( heartrate5_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( I2C_MASTER_ERROR == heartrate5_init( &heartrate5, &heartrate5_cfg ) ) 
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( HEARTRATE5_ERROR == heartrate5_default_cfg ( &heartrate5 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void ) 
{
    if( heartrate5_get_led2_aled2_val( &heartrate5 ) < 10 )
    {
        sensor_value = heartrate5_get_aled1_val( &heartrate5 );
        log_printf( &logger, "%lu,%lu \r\n", sensor_value, time );
        time += 10;
        Delay_ms( 10 );
    }
}

void main ( void ) 
{
    application_init( );

    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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