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一、硬件介绍

1、产品特点

MAX78000FTHR 开发板集成卷积神经网络加速器，将ARM Cortex-M4处理器与浮点单元 (FPU)、卷积神经网络 (CNN) 加速器和 RISC-V 内核组合在一起，包括MAX20303 PMIC，用于电池和电源管理，兼容Adafruit Feather Wing外设扩展板。评估板包括各种外设，例如CMOS VGA图像传感器、数字麦克风、低功耗立体声音频CODEC、1MB QSPI SRAM、micro SD存储卡连接器、RGB指示LED和按键。

板载的MAX32625微控制器已预先编程有 DAPLink 固件，可通过 USB 对 MAX78000 Arm 内核进行调试和编程

标准10pin引脚JTAG接口，可调试和编程MAX78000的RISC-V内核

特性

• 双核：Arm Cortex-M4 FPU处理器，100MHz；RISC-V协处理器，60MHz

• 512KB闪存

• 128KB SRAM

• 16KB 缓存

• 卷积神经网络加速器

• 12位并行摄像头接口

• MAX20303可穿戴PMIC，带电量计

• Micro SD卡连接器

• CMOS VGA图像传感器

• 低功耗、立体声音频编解码器

• 数字麦克风

硬件框图

系统框图

2、功能引脚示意图 / 原理图

原理图

板载按钮

SW1：用户可编程功能按钮；

连接到 P0_2

SW2：用户可编程功能按钮；

连接到 P1_7

SW3：PMIC 电源按钮；

Power_Button：当电路板处于通电状态时，按住此按钮 12 秒将执行硬断电； 当电路板处于断电状态时，按下此按钮可重新打开电路板电源。

该按钮可以被MAX78000读取，当按下按钮时，PMIC_PFN2(P3_0)信号进入逻辑低电平状态。

SW4：连接到 RSTN 的输入；

用于复位 MCU

SW5：DAPLink 固件更新按钮；

用于 DAPLINK 固件的更新； 当按下按钮上电时，将进入固件更新模式；

板载LED

D1： 该LED可由用户控制，连接到对应的GPIO端口；

LED_R：P2_0 LED_G：P2_1 LED_B：P2_2

D2：连接到MAX20303的PMIC_LEDx输出;

这些LED可以通过I2C命令进行控制； 还可以通过 I2C 命令配置为充电状态指示灯；

PMIC_LED1(Red) PMIC_LED2(Green) PMIC_LED0(Blue)

D3：DAPLink(MAX32625)状态指示灯；

由 DAPLink 控制

引脚图

3、血氧心率模块 (MAX30102 )

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。它集成了一个红光LED和一个红外光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，采用I2C协议进行通信；

芯片手册

基本原理

当光线照射到皮肤组织（通常是指尖、耳垂或手腕）时，一部分光会被组织、骨骼、静脉血等非脉动成分吸收，这部分吸收是恒定不变的。另一部分光则会穿透组织，被动脉血吸收。而动脉血会因为心脏的泵血活动而发生周期性的脉动（血液容积变化）。

主要参数:

I2C地址：0x57

引脚说明

MAX30102内置了两个LED光源（红光RD和红外光IRD） 它们是IR和RED的驱动，不需要外部连接，内部已经连接好了

系统框图

原理图

二、硬件连接

开发板通过硬件I2C的方式连接MAX30102；

开发板                                模块

3V3                                      VIN    

GND                                    GND

P0_16(SCL)                    SCL

P0_17(SDA)                    SDA

P0_19                                INT

实物效果

三、代码编写

MAX78000FTHR手册

MAX78000手册

SDK使用文档

读取心率和血氧饱和度(SPO2)数据

测量算法核心思路：上电后首先进行器件的初始化，然后通过IIC读取500组传感器数据，将其中的最大值和最小值筛选出来，调用函数计算500组数据的心率值有效性、血氧值有效性、心率值和血氧值，起到一个滤除前期杂波数据的作用，最后在while(1)中循环处理以下逻辑：舍弃前100组数据，将后400组数据移植前方，即将100-500缓存数据移位到0-400，并寻找其中的最大值和最小值，通过IIC读取新的100组数据放置在401-500缓存数组中，用新获取的数据与上次数据做比较，两者取绝对值，除以最大值和最小值的差值，再乘255计算出心率曲线，调用函数计算500组数据的心率值有效性、血氧值有效性、心率值和血氧值，如果测量值有效则读出心率值和血氧值，如此反复。

主要相关代码

max30102.h

#ifndef __MAX30102_H
#define __MAX30102_H

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include "board.h"
#include "mxc_device.h"
#include "mxc_delay.h"
#include "nvic_table.h"
#include "i2c.h"

#define MAX_BRIGHTNESS 255
#define BUFFER_LENTH 500

/*  算法部分 */
#define true 1
#define false 0
#define FS 100
#define BUFFER_SIZE (FS * 5)
#define HR_FIFO_SIZE 7
#define MA4_SIZE 4     // DO NOT CHANGE
#define HAMMING_SIZE 5 // DO NOT CHANGE
#define min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
/* end */

#define I2C_MASTER MXC_I2C1
#define MAX30102_INT_PORT MXC_GPIO0
#define MAX30102_INT_PIN MXC_GPIO_PIN_19
#define MAX30102_INT MXC_GPIO_InGet(MAX30102_INT_PORT, MAX30102_INT_PIN)
#define I2C_FREQ 400000 // 400kHZ

#define MAX30102_I2C_ADDR 0x57

// register addresses
#define REG_INTR_STATUS_1 0x00
#define REG_INTR_STATUS_2 0x01
#define REG_INTR_ENABLE_1 0x02
#define REG_INTR_ENABLE_2 0x03
#define REG_FIFO_WR_PTR 0x04
#define REG_OVF_COUNTER 0x05
#define REG_FIFO_RD_PTR 0x06
#define REG_FIFO_DATA 0x07
#define REG_FIFO_CONFIG 0x08
#define REG_MODE_CONFIG 0x09
#define REG_SPO2_CONFIG 0x0A
#define REG_LED1_PA 0x0C
#define REG_LED2_PA 0x0D
#define REG_PILOT_PA 0x10
#define REG_MULTI_LED_CTRL1 0x11
#define REG_MULTI_LED_CTRL2 0x12
#define REG_TEMP_INTR 0x1F
#define REG_TEMP_FRAC 0x20
#define REG_TEMP_CONFIG 0x21
#define REG_PROX_INT_THRESH 0x30
#define REG_REV_ID 0xFE
#define REG_PART_ID 0xFF

int max30102_init(void);
void max30102_getFirst(void);
int max30102_get(uint8_t *HeartRate, uint8_t *spo2Data);


void maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(uint32_t *pun_ir_buffer, int32_t n_ir_buffer_length, uint32_t *pun_red_buffer, int32_t *pn_spo2, int8_t *pch_spo2_valid, int32_t *pn_heart_rate, int8_t *pch_hr_valid);
void maxim_find_peaks(int32_t *pn_locs, int32_t *pn_npks, int32_t *pn_x, int32_t n_size, int32_t n_min_height, int32_t n_min_distance, int32_t n_max_num);
void maxim_peaks_above_min_height(int32_t *pn_locs, int32_t *pn_npks, int32_t *pn_x, int32_t n_size, int32_t n_min_height);
void maxim_remove_close_peaks(int32_t *pn_locs, int32_t *pn_npks, int32_t *pn_x, int32_t n_min_distance);
void maxim_sort_ascend(int32_t *pn_x, int32_t n_size);
void maxim_sort_indices_descend(int32_t *pn_x, int32_t *pn_indx, int32_t n_size);

#endif

max30102.c

#include "max30102.h"

//  I2C 写
static int i2c_write_reg(uint8_t reg, uint8_t val)
{
    uint8_t buf[2] = {reg, val};
    mxc_i2c_req_t req = {
        .i2c = I2C_MASTER,
        .addr = MAX30102_I2C_ADDR,
        .tx_buf = buf,
        .tx_len = 2,
        .rx_buf = NULL,
        .rx_len = 0,
        .restart = 0,
        .callback = NULL};
    return MXC_I2C_MasterTransaction(&req);
}

//  I2C 读取
static int i2c_read_reg(uint8_t reg, uint8_t *val)
{
    mxc_i2c_req_t req = {
        .i2c = I2C_MASTER,
        .addr = MAX30102_I2C_ADDR,
        .tx_buf = &reg,
        .tx_len = 1,
        .rx_buf = val,
        .rx_len = 1,
        .restart = 1,
        .callback = NULL};
    return MXC_I2C_MasterTransaction(&req);
}

static int max30102_reset(void)
{
    i2c_write_reg(REG_MODE_CONFIG, 0x40);

    //printf("max30102 reset sucess\n");
    return E_NO_ERROR;
}

//  max30102 初始化
int max30102_init(void)
{
    mxc_gpio_cfg_t gpio_out;

    /* INT中断引脚初始化 上拉 */
    gpio_out.port = MAX30102_INT_PORT;
    gpio_out.mask = MAX30102_INT_PIN;
    gpio_out.pad = MXC_GPIO_PAD_PULL_UP;
    gpio_out.func = MXC_GPIO_FUNC_IN;
    gpio_out.vssel = MXC_GPIO_VSSEL_VDDIO;
    gpio_out.drvstr = MXC_GPIO_DRVSTR_0;
    MXC_GPIO_Config(&gpio_out);

    max30102_reset();

    // 清空 FIFO 指针
    i2c_write_reg(REG_FIFO_WR_PTR, 0x00);
    i2c_write_reg(REG_OVF_COUNTER, 0x00);
    i2c_write_reg(REG_FIFO_RD_PTR, 0x00);

    i2c_write_reg(REG_FIFO_CONFIG, 0x0F);
    i2c_write_reg(REG_SPO2_CONFIG, 0x27); // SPO2_ADC

    i2c_write_reg(REG_LED1_PA, 0x24); // RED
    i2c_write_reg(REG_LED2_PA, 0x24); // IR
    i2c_write_reg(REG_PILOT_PA, 0x7F);
    // 模式: SpO2 模式 = 0x03
    i2c_write_reg(REG_MODE_CONFIG, 0x03);

    i2c_write_reg(REG_INTR_ENABLE_1, 0xc0); // INTR setting
    i2c_write_reg(REG_INTR_ENABLE_2, 0x00);

    return E_NO_ERROR;
}

//  读取6个字节 数据
static int max30102_read_fifo(uint32_t *red, uint32_t *ir)
{
    uint8_t reg = REG_FIFO_DATA;
    uint8_t data[6];
    mxc_i2c_req_t req = {
        .i2c = I2C_MASTER,
        .addr = MAX30102_I2C_ADDR,
        .tx_buf = &reg,
        .tx_len = 1,
        .rx_buf = data,
        .rx_len = 6,
        .restart = 1,
        .callback = NULL};
    int ret = MXC_I2C_MasterTransaction(&req);
    if (ret != E_NO_ERROR)
        return ret;

    *red = ((uint32_t)data[0] << 16) | ((uint32_t)data[1] << 8) | data[2];
    *red &= 0x3FFFF; // 18 bit

    *ir = ((uint32_t)data[3] << 16) | ((uint32_t)data[4] << 8) | data[5];
    *ir &= 0x3FFFF;

    // printf("red:%d , ir:%d \n", *red, *ir);
    // 过滤异常值(例：无手指 / 未贴合检测时)
    if (*ir <= 50000 || *red <= 50000)
    {
        *ir = 0;
        *red = 0;
    }

    return E_NO_ERROR;
}

uint32_t aun_ir_buffer[BUFFER_LENTH];
// IR LED sensor data   红外数据，用于计算血氧
uint32_t aun_red_buffer[BUFFER_LENTH];
// Red LED sensor data  红光数据，用于计算心率曲线以及计算心率
int32_t n_sp02;       // SPO2 value
int8_t ch_spo2_valid; // indicator to show if the SP02 calculation is valid
int32_t n_heart_rate; // heart rate value
int8_t ch_hr_valid;   // indicator to show if the heart rate calculation is valid

uint32_t un_min = 0x3FFFF, un_max = 0, un_prev_data;
int32_t n_brightness = 0;

void max30102_getFirst(void)
{
    int i;
    // 读取前500个样本，并确定信号范围
    for (i = 0; i < BUFFER_LENTH; i++)
    {
        while (MAX30102_INT == 1) // 等待中断引脚
            ;
        max30102_read_fifo(&aun_red_buffer[i], &aun_ir_buffer[i]);
        if (un_min > aun_red_buffer[i])
            un_min = aun_red_buffer[i]; // 更新信号最小值
        if (un_max < aun_red_buffer[i])
            un_max = aun_red_buffer[i]; // 更新信号最大值
    }

    // 计算前500个样本后的心率和SpO2（样本的前5秒）
    maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, BUFFER_LENTH, aun_red_buffer, &n_sp02, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid);
}

int max30102_get(uint8_t *HeartRate, uint8_t *spo2Data)
{
    float f_temp;
    uint8_t temp[6];
    // 读取和计算max30102数据，总体用缓存的500组数据分析，实际每读取100组新数据分析一次
    un_min = 0x3FFFF;
    un_max = 0;
    // 将前100组样本转储到内存中（实际没有），并将后400组样本移到顶部，将100-500缓存数据移位到0-400
    for (int i = 100; i < 500; i++)
    {
        aun_red_buffer[i - 100] = aun_red_buffer[i]; // 将100-500缓存数据移位到0-400
        aun_ir_buffer[i - 100] = aun_ir_buffer[i];   // 将100-500缓存数据移位到0-400
        // 更新信号的最小值和最大值
        if (un_min > aun_red_buffer[i]) // 寻找移位后0-400中的最小值
            un_min = aun_red_buffer[i];
        if (un_max < aun_red_buffer[i]) // 寻找移位后0-400中的最大值
            un_max = aun_red_buffer[i];
    }
    // 在计算心率前取100组样本，取的数据放在400-500缓存数组中
    for (int i = 400; i < 500; i++)
    {
        un_prev_data = aun_red_buffer[i - 1]; // 临时记录上一次读取数据
        while (MAX30102_INT == 1)             // 等待中断引脚
            ;

        max30102_read_fifo(&aun_red_buffer[i], &aun_ir_buffer[i]);

        if (aun_red_buffer[i] > un_prev_data)
        { // 用新获取的一个数值与上一个数值对比
            f_temp = aun_red_buffer[i] - un_prev_data;
            f_temp /= (un_max - un_min);
            f_temp *= MAX_BRIGHTNESS; // 公式（心率曲线）=（新数值-旧数值）/（最大值-最小值）*255
            n_brightness -= (int)f_temp;
            if (n_brightness < 0)
                n_brightness = 0;
        }
        else
        {
            f_temp = un_prev_data - aun_red_buffer[i];
            f_temp /= (un_max - un_min);
            f_temp *= MAX_BRIGHTNESS; // 公式（心率曲线）=（旧数值-新数值）/（最大值-最小值）*255
            n_brightness += (int)f_temp;
            if (n_brightness > MAX_BRIGHTNESS)
                n_brightness = MAX_BRIGHTNESS;
        }
    }
    maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(aun_ir_buffer, BUFFER_LENTH, aun_red_buffer, &n_sp02, &ch_spo2_valid, &n_heart_rate, &ch_hr_valid); // 传入500个心率和血氧数据计算传感器检测结论，反馈心率和血氧测试结果

    if ((1 == ch_hr_valid) && (1 == ch_spo2_valid) && (n_heart_rate < 120) && (n_sp02 < 101))
    {
        *HeartRate = n_heart_rate;
        *spo2Data = n_sp02;
        return 1;  //  有效数据
    }
    return 0;
}

main.c

/***** Includes *****/
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include "board.h"
#include "mxc_device.h"
#include "nvic_table.h"

#include "oled.h"
#include "max30102.h"

#define COUNT 30
uint8_t spo2Data;  // 血氧数据
uint8_t heartData; // 心率数据

int i2c_init(void)
{
    int error = MXC_I2C_Init(I2C_MASTER, 1, 0);
    if (error != E_NO_ERROR)
    {
        printf("I2C init fail:%d\n", error);
    }
    else
    {
        MXC_I2C_SetFrequency(I2C_MASTER, I2C_FREQ);
        printf("I2C init success\n");
    }
}

int main(void)
{
    i2c_init();
    if (max30102_init() != E_NO_ERROR)
    {
        printf("MAX30102 init failed\n");
    }
    else
        printf("MAX30102 init OK\n");

    max30102_getFirst();

    while (1)
    {
        uint32_t hr_sum = 0, spo2_sum = 0;
        int valid_cnt = 0;

        // 有效数值  平均
        while (valid_cnt < COUNT)
        {
            if (max30102_get(&heartData, &spo2Data))
            {
                hr_sum += heartData;
                spo2_sum += spo2Data;
                valid_cnt++;
            }
        }
        printf("Heart Rate:%d bpm, SpO2:%d%% \n", hr_sum / valid_cnt, spo2_sum / valid_cnt);
    }
}

编译代码

使用CTRL + SHIFT + B 选择 Build 编译项目；

或使用终端 make -j16 PROJECT=GPIO，编译成 .elf 程序二进制文件；

四、程序烧录

1、用数据线连接开发板至电脑上；

2、程序烧录

使用CTRL + SHIFT + B 选择 flash & run 烧录并运行程序；

五、演示效果

串口打印 心率 / 血氧的相关信息；