初学者
10 分钟

基于SFH7050和ATmega328的全面心脏监测

您的心脏,实时监测

Heart Rate 3 Click with Arduino UNO Rev3

已发布 6月 24, 2024

点击板

Heart Rate 3 Click

开发板

Arduino UNO Rev3

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

ATmega328

开发通过手指尖进行脉搏血氧和心率读数的算法。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Heart Rate 3 Click 基于ams OSRAM的SFH7050,这是一个脉搏血氧和心率传感器。这个多芯片封装由三个发射器和一个探测器组成,有一个光障碍层用来阻止LED与探测器之间的串扰。这些发射器是指向测量对象(人类皮肤,手指)的绿色、红色和红外LED。绿色LED通常用于测量血管的扩张。由于富氧和贫氧血液对红色和红外LED光的吸收不同,因此SFH7050包含这两种LED。每个LED的峰值波长不同,但所有三个LED的半角相同,±60°。作为探测器,通过一个隔离屏障,光电二极管检测返回的光强度。如前所述,这个Click board™使用三个LED和一个光电二极管来检测返回的光强度,此外,它还包含了德州仪器的AFE4404,这是一个集成的用于光学心率监测和生物感测的模拟前端(AFE)。AFE4404包括三个LED的6

位可编程LED电流和每个LED及环境相位的TIA(跨阻放大器)输入处的单独直流偏移减法DAC,以提高传感器的精确度并消除信号噪声。还有一种方法可以在发送到BPM算法之前平均光电二极管的24位输出,以更好地取消噪声。Heart Rate 3 Click通过AFE4404上的I2C接口与主MCU通信,通过mikroBUS™插座。每当所有三个LED完成采样和转换,就会通过RDY引脚触发中断,从而避免主MCU不断轮询传感器以获取数据。当PRF(脉冲重复频率)周期结束时,此引脚被设置为高逻辑电平,允许读取四个输出数据寄存器。PRF可在每秒10到1000样本之间变化。时钟输入可以通过CLK引脚选择,因为AFE4404可以内部或外部供时钟。输入时钟可高达60MHz,但IC的内部分频器必须设置,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。用户可以通过R5和R6电阻选择其中一个时钟选项(R5用于外部时钟模式,R6用于内部振荡器模式)。上电序列后,AFE需要复位。mikroBUS™插座的RST引脚允许主MCU复位AFE。将此引脚拉低超过200微秒会将设备置于掉电模式。AFE也可以通过I2C接口通过设置适当寄存器中的位进行复位。这个Click board™只能在3.3V逻辑电压水平下操作。使用不同逻辑电平的MCU之前,必须执行适当的逻辑电压水平转换。然而,Click board™配备了一个包含函数和示例代码的库,可作为进一步开发的参考。虽然Heart Rate 3 Click只支持3.3V逻辑电平,但板载LED SUP跳线允许您将驱动SFH7050 LED的电压设置为3.3V或5V。

Heart Rate 3 Click top side image
Heart Rate 3 Click bottom side image

功能概述

开发板

Arduino UNO 是围绕 ATmega328P 芯片构建的多功能微控制器板。它为各种项目提供了广泛的连接选项,具有 14 个数字输入/输出引脚,其中六个支持 PWM 输出,以及六个模拟输入。其核心组件包括一个 16MHz 的陶瓷谐振器、一个 USB 连接器、一个电

源插孔、一个 ICSP 头和一个复位按钮,提供了为板 子供电和编程所需的一切。UNO 可以通过 USB 连接到计算机,也可以通过 AC-to-DC 适配器或电池供电。作为第一个 USB Arduino 板,它成为 Arduino 平台的基准,"Uno" 符号化其作为系列首款产品的地

位。这个名称选择,意为意大利语中的 "一",是为了 纪念 Arduino Software(IDE)1.0 的推出。最初与 Arduino Software(IDE)版本1.0 同时推出,Uno 自此成为后续 Arduino 发布的基础模型,体现了该平台的演进。

Arduino UNO Rev3 double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

AVR

MCU 内存 (KB)

32

硅供应商

Microchip

引脚数

32

RAM (字节)

2048

你完善了我!

配件

Click Shield for Arduino UNO 具有两个专有的 mikroBUS™ 插座,使所有 Click board™ 设备能够轻松与 Arduino UNO 板进行接口连接。Arduino UNO 是一款基于 ATmega328P 的微控制器开发板,为用户提供了一种经济实惠且灵活的方式来测试新概念并构建基于 ATmega328P 微控制器的原型系统,结合了性能、功耗和功能的多种配置选择。Arduino UNO 具有 14 个数字输入/输出引脚(其中 6 个可用作 PWM 输出)、6 个模拟输入、16 MHz 陶瓷谐振器(CSTCE16M0V53-R0)、USB 接口、电源插座、ICSP 头和复位按钮。大多数 ATmega328P 微控制器的引脚都连接到开发板左右两侧的 IO 引脚,然后再连接到两个 mikroBUS™ 插座。这款 Click Shield 还配备了多个开关,可执行各种功能,例如选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平,以及选择 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换电压转换器使用任何 Click board™,无论 Click board™ 运行在 3.3V 还是 5V 逻辑电压电平。一旦将 Arduino UNO 板与 Click Shield for Arduino UNO 连接,用户即可访问数百种 Click board™,并兼容 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的设备。

Click Shield for Arduino UNO accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
Reset
PD2
RST
NC
NC
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
External Clock Mode
PD6
PWM
Ready Interrupt
PC3
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PC5
SCL
I2C Data
PC4
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Heart Rate 3 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Arduino UNO front image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Arduino UNO Rev3作为您的开发板开始。

Click Shield for Arduino UNO front image hardware assembly
Arduino UNO Rev3 front image hardware assembly
Barometer 13 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
Arduino UNO Rev3 MB 1 - 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
Arduino UNO 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

这个库包含了Heart Rate 3 Click驱动程序的API。

关键函数:

  • heartrate3_check_data_ready - 用于检查数据就绪标志的函数

  • heartrate3_write_data - 用于将32位数据写入寄存器的函数

  • heartrate3_read_24bit - 用于从寄存器读取24位值的函数

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 
 * \brief HeartRate3 Click example
 * 
 * # Description
 * The demo application shows reflected red, green and ir values.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initalizes click driver, resets the device, applies default settings
 * and makes an initial log.
 * 
 * ## Application Task  
 * This example demonstrates the use of Heart rate 3 board. It is set in default
 * mode, and reads reflected red, green and ir values and displays the results 
 * on USART terminal.
 * 
 * @note
 * We recommend using the SerialPlot tool for data visualizing.
 * 
 * \author Jovan Stajkovic
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "heartrate3.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES

static heartrate3_t heartrate3;
static log_t logger;

static uint32_t led_2;
static uint32_t aled_2;
static uint32_t led_1;
static uint32_t aled_1;
static uint32_t led_2_aled_2;
static uint32_t led_1_aled_1;

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    heartrate3_cfg_t heartrate3_cfg;

    /** 
     * 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.
    heartrate3_cfg_setup( &heartrate3_cfg );
    HEARTRATE3_MAP_MIKROBUS( heartrate3_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( I2C_MASTER_ERROR == heartrate3_init( &heartrate3, &heartrate3_cfg ) ) 
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_printf( &logger, "----------------------\r\n" );
    log_printf( &logger, "  Heart rate 3 Click  \r\n" );
    log_printf( &logger, "----------------------\r\n" );
    
    if ( HEARTRATE3_ERROR == heartrate3_default_cfg ( &heartrate3 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_printf( &logger, "     Initialised!     \r\n" );
    log_printf( &logger, "----------------------\r\n" );    
    log_info( &logger, " Application Task " );
    Delay_ms ( 100 );
}

void application_task ( void )
{
    err_t error_flag = HEARTRATE3_OK;
    if ( heartrate3_check_data_ready ( &heartrate3 ) )
    {
        error_flag |= heartrate3_read_24bit( &heartrate3, HEARTRATE3_REG_LED2VAL, &led_2 );
        error_flag |= heartrate3_read_24bit( &heartrate3, HEARTRATE3_REG_ALED2VAL, &aled_2 );
        error_flag |= heartrate3_read_24bit( &heartrate3, HEARTRATE3_REG_LED1VAL, &led_1 );
        error_flag |= heartrate3_read_24bit( &heartrate3, HEARTRATE3_REG_ALED1VAL, &aled_1 );
        error_flag |= heartrate3_read_24bit( &heartrate3, HEARTRATE3_REG_LED2_ALED2VAL, &led_2_aled_2 );
        error_flag |= heartrate3_read_24bit( &heartrate3, HEARTRATE3_REG_LED1_ALED1VAL, &led_1_aled_1 );
        if ( HEARTRATE3_OK == error_flag )
        {
            log_printf( &logger, "%lu;%lu;%lu;%lu;%lu;%lu;\r\n", 
                        led_2, aled_2, led_1, aled_1, led_2_aled_2, led_1_aled_1 );
        }
    }
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}


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

额外支持

资源

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