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MAX30102 血氧调试笔记

2023-05-16

一、血氧测量原理

1.1 PPG波形介绍

血氧饱和度（英语：Oxygen saturation），或称血氧浓度，是指血中氧饱和血红蛋白相对于总血红蛋白（不饱和+饱和）的比例。人体需要并调节血液中的氧气非常精确和特定的平衡。 人体的正常动脉血氧饱和度为95-100％。 如果该水平低于90％，则被认为是低氧血症。

血氧的测量主要分为透射式和反射式。目前的主流是透射式。但是两者原理差不多，都是使用发光二极管（红光RED，红外IR，绿光GREEN和蓝光BLUE等）照射被测部位，然后使用一个光电二极管接收透射/反射的光线，将光信号转换为电信号。然后通过高精度的ADC测量反射回的电流大小，评估血液中的含氧量。

图1 典型PPG 波形

上图是一个典型的PPG波形，即光电二极管接收到原始的光信号波形。波形（由图中间的白色横虚线）可分为两部分：DC signal 和 AC signal，即直流信号和交流信号。

其中直流信号由下到上可分为以下三部分的反射：组织（issue），静脉血（Venous blood）和不跳动的动脉血（Non pulsatile arterial blood）。当然对于不同年龄、性别和肤色等人不同，对应的DC signal 值也会不同。所以后面的血氧计算都是使用相对值。

而 AC signal 交流信号就比较单一：由跳动的动脉血反射得到。其中波峰对应心脏的收缩（Systole），波谷对应心脏舒张（Diastole）。

1.2 心率计算(HR)

通过计算AC signal 两个波峰的时间（图中两条竖着的黑色虚线），我们就能计算出心率，这里不再赘述。至于选择哪个通道的数据（红光或红外），其实都是可以的，一般是使用信号较好的那个通道（通常为红外）。

1.3 灌注指数(PI)

临床上，交流分量与直流分量的幅值之比反映了人体的血流灌注能力，称为血流灌注指数(Perfusion Index，PI)。一般情况下灌注度越高，表明信号质量越好。其表达式为:

PI = AC/DC * 100%​

1.4 血氧计算(SpO2)

血压计算公式也比较简单，这里MAX30102是一路红光，一路红外。只分别算出红光的交流除以红光的直流即: ACred/DCred，和红外的交流除以红外的直流分量即：ACired/DCired。然后两者再相除得到R。

​

得到 R 然后查表即可得到血氧值，也可以通过下面美信拟合的公式计算：

SpO2 = -45.060*R*R + 30.354 *R + 94.845

二、MAX30102传感器原理

由上面的原理我们简化为：将RED/IR 光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过AD转换成数字信号。简化过程：光--> 电 --> 数字信号。所以我们需要控制光源LED的电流强度和采样率，光敏传感器的ADC精度（xbit）等。

​

图2 MAX30102 系统框图

三、MAX30102寄存器配置

3.1 初始化配置

在一般的配置中我们让设备开机直接开始进入SpO2/HR 模式就好（PROX_INT_EN 置 0），设置两个LED的电流都为0x40，然后开启 RDY 中断使能。这样每次数据采集ok就可以中断一次去处理数据。

// 主要寄存器配置参数
MAX30102_Write_Byte(MODE_CONFIG, 0X40);         //RESET FIRST

am_util_delay_ms(20);
MAX30102_Write_Byte(INTERRUPT_ENABLE1, 0xC0);   // A_FULL_EN, PPG_RDY_EN set to 1.
MAX30102_Write_Byte(INTERRUPT_ENABLE2, 0x02);   //TEMP RDY EN 0x02
MAX30102_Write_Byte(FIFO_WR_PTR, 0x00);         //recommend to clear first     
MAX30102_Write_Byte(OVERFLOW_COUNTER, 0x00);    //recommend to clear first     
MAX30102_Write_Byte(FIFO_RE_PTR, 0x00);         //recommend to clear first     

MAX30102_Write_Byte(FIFO_CONFIG, 0x0f);         //sample avg = 1, fifo rollover=false, fifo almost full = 17    
MAX30102_Write_Byte(MODE_CONFIG, 0x03);         //SpO2 mode. RED and IR
MAX30102_Write_Byte(SPO2_CONFIG, 0x2B);         // SPO2_ADC range = 4096nA, 200Hz, LED pulseWidth (411uS) ,18bit     
MAX30102_Write_Byte(DIE_TEMP_CONFIG, 0x01);     //TEMP_EN set 1.

MAX30102_Write_Byte(LED1_PULSE_AMP,  0X40);     //Choose value for ~ 13mA for LED1(red)
MAX30102_Write_Byte(LED2_PULSE_AMP,  0X40);     //Choose value for ~ 13mA for LED2(ir)

MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS1);          //clear int flag first.不然可能无法进中断
MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS2);

3.2 FIFO读取数据

MAX30102 FIFO 的深度为32，每个buf是6个字节（两通道数据，每通道3字节）。我么可以开启 PPG_RDY_EN，这样就能每来一个新的数据，就会中断一次通知我们去取数据。读FIFO_DATA 就会自动清掉中断标志位。

​

图3 FIFO 寄存器

FIFO相关的寄存器有4个。虽然是显示均可读写（R/W），但是实际上只有 FIFO Read Pointer可以写（应用在读数据出错，往回重读一次的情况）。其他 FIFO 寄存器均为只读。

  • FIFO Write Pointer：好理解，就是写指针寄存器。保存下一个新数据在 FIFO 中的写地址。每次来一个数据，这个写指针会自动移动一位。
  • Over Flow Counter: 如果32个FIFO深度满了，就会在这里增加1，表示溢出。
  • FIFO Read Pointer：FIFO读指针，始终指向下一个待读取的FIFO地址。如果数据读取后，读地址也会自动增加。
  • FIFO Data Register: 可以简单的理解为 *FIFO_RD_PTR，始终指向下一个数据。

I2C寄存器映射中的FIFO_DATA寄存器指向要从FIFO读取的下一个样本。 FIFO_RD_PTR指向此样本。所以虽然通过连续读 FIFO_DATA 不会使该寄存器自增，但是 FIFO_DATA 寄存器实际是映射到FIFO_RD_PTR，而FIFO_RD_PTR 寄存器始终指向下一个待读取的数据，所以对FIFO_DATA 连续读，是能够实现的。读 FIFO 函数如下：

/*****************************************************************************************
* Function Name: MAX30102_Read_FIFO_Data
* Description  : 通过硬件I2C，读取FIFO中的数据RED, IR.
* Arguments	   : *data：两路电流值大小
* Return Value : none
******************************************************************************************/
void MAX30102_Read_FIFO_Data(uint32_t *data)
{
    uint8_t tmp[6];
    
    MAX30102_Read_Len(FIFO_DATA, tmp, 6);
    data[0] = ((tmp[0]<<16 | tmp[1]<<8 | tmp[2]) & 0x03ffff);
    data[1] = ((tmp[3]<<16 | tmp[4]<<8 | tmp[5]) & 0x03ffff);

    //am_util_stdio_printf("%d, %d\n", data[0], data[1]);
}

3.3 采样率和精度设置

简单的说想要更高的ADC精度（位数），就得提高脉宽（增加ADC的采样时间）。但是脉宽又会受限制于采样率，如果采样率太高，这个每个周期的时间短可能太短，就不足以满足高采样率的脉宽要求。所以具体的设置参考下表：

​

图4 脉宽示意图

​

图5 两种模式各自允许设置采样率表

由上表可知，如果我们在SpO2模式想要ADC的精度为 18bits，脉宽只能为400us，且采样率最高只能到400Hz。两个LED的点亮时序如下图所示：

​

图6 两路LED的开启时序

四、接近检测功能（Proximity Mode）

通过以上的配置我们已经可以实现两路（红光和红外）PPG的采集。但是为了优化设备的体验，我们期望当手指离开传感器后，能够自动关闭LED，待手指插入后能自动开启继续采集。这样可以做到省电且减少红外的释放，所以我们需要能够自动的调节血氧传感器的开启和停止。而这个的实现就依赖于「接近检测功能」。

「接近检测功能」可以由硬件（传感器本身的Proximity Mode功能）或者软件（应用程序控制LED电流）两种方法实现。基本原理都一样：就是当 红外/红灯 的接收光线低于某一阀值后（表示手指离开），我们就将红灯熄灭，同时降低红外电流且降低采样率，这样达到不漏光且省电的效果。这个时候红外工作在低采样率阶段，如果这时有手指接入，如果达到启动阀值，则重新开始正常的采样，恢复采样率和红光/红外电流。

4.1 硬件实现（不推荐）

实际测试发现，MAX30102其接近功能只能使用红光去做接近检测，所以就算手指拔出进入「接近模式」也会有红色的光发散出来，影响体验所以不推荐。但还是简要的说明其操作步骤：

  1. 先将 MODE 设置为「SpO2/HR 模式」；
  2. 将 PROX_INT_EN 置为 1；（必须的！相当于使能硬件的Proximity Mode功能。置0则不会进入接近模式，直接数据采集）；
  3. 设置手指离开后，传感器进入「接近模式」后的红色LED电流大小：PILOT_PA ；
  4. 设置手指插入后，传感器恢复「SpO2/HR 模式」的阀值：PROX_INT_THRESH；

​

图7 两个工作模式的转换

主要寄存器配置如下：

MAX30102_Write_Byte(MODE_CONFIG, 0X40);         //RESET FIRST

am_util_delay_ms(20);
MAX30102_Write_Byte(INTERRUPT_ENABLE1, 0xD0);   // A_FULL_EN, PPG_RDY_EN, PROX_INT_EN set to 1.
MAX30102_Write_Byte(INTERRUPT_ENABLE2, 0x02);   //TEMP RDY EN 0x02
MAX30102_Write_Byte(FIFO_WR_PTR, 0x00);         //recommend to clear first     
MAX30102_Write_Byte(OVERFLOW_COUNTER, 0x00);    //recommend to clear first     
MAX30102_Write_Byte(FIFO_RE_PTR, 0x00);         //recommend to clear first     

MAX30102_Write_Byte(FIFO_CONFIG, 0x0f);         //sample avg = 1, fifo rollover=false, fifo almost full = 17    
MAX30102_Write_Byte(MODE_CONFIG, 0x03);         //SpO2 mode. RED and IR
MAX30102_Write_Byte(SPO2_CONFIG, 0x2B);         //SPO2_ADC range = 4096nA, 200Hz, LED pulseWidth (411uS) ,18bit     
MAX30102_Write_Byte(DIE_TEMP_CONFIG, 0x01);     //TEMP_EN set 1.

MAX30102_Write_Byte(LED1_PULSE_AMP,  0X40);     //Choose value for ~ 13mA for LED1(red)
MAX30102_Write_Byte(LED2_PULSE_AMP,  0X40);     //Choose value for ~ 13mA for LED2(ir)
MAX30102_Write_Byte(PILOT_PA, 0x01);            //Choose value for ~ 0.2mA for Pilot LED （IR）
MAX30102_Write_Byte(PROX_INT_THRESH, 0x01);     //唤醒血氧LED的阀值

MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS1);          //clear int flag first.不然可能无法进中断
MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS2);

上述配置后，由于 PROX_INT_EN 已经置1，所以设备开机即进入「接近模式」。可以看到红色灯微微亮起（此时红外没有工作），此时红灯电流大小就是我们 PILOT_PA 寄存器设置的值。如果此时有手指插入，使红色接收管大于 PROX_INT_THRESH 设置的值，那么就会进入 「SpO2/HR 模式」，开始正常采集。

开始正常采集后，就算手指离开探头也不会自动进入「接近模式」，想要进入需要我们手动的再次写 MODE 寄存器：MAX30102_Write_Byte(MODE_CONFIG, 0x03); 至于何时写 MODE 寄存器，需要应用程序通过用户设置的阀值去判断。

4.2 软件实现（推荐）

如果使用软件实现接近检测，我们就可以使用红外灯去做接近检测，这样肉眼就看不到红外光，更合理。

主要思路是：我们初始化时只点亮红外灯，关闭红灯(驱动电流设为0)。然后在 Data DRDY 的中断里，根据自己设定的红外阀值去需要此时是否有手指插入。如果超过阀值就设置两个 LED 的为正常采样率、电流大小；如果再次低于阀值则关闭红灯，降低红外的采样率和电流降低功耗。

步骤：1. Initial Setting – SW proximity mode

开机后，先关闭红灯，红外灯5ms电流，调低采样率，等待手指插入。

// 主要寄存器配置
//寄存器地址 设置参数
0x0C 0x00 //RED LED: 0mA
0x0D 0x19 //IR LED: 5mA
0x0A 0x43 //SPO2 CONFIGURATION 
          //SPO2_ADC_RGE : 8uA (this is a good starting point, try other settings in order to fine tune your design), 
          //SPO2_SR : 50HZ, LED_PW : 400us
0x08 0x00 //FIFO CONFIG
0x11 0x12 //Multi-LED 1
0x12 0x00 //Multi-LED 2
0x04 0x00 //FIFO RESET
0x05 0x00 //FIFO RESET
0x06 0x00 //FIFO RESET
0x09 0x07 //Mode Configuration : Multi-LED Mode
0x02 0x40 //PPG RDY Interrupt Enable
current mode = proximity

2.在 DRDY IRQ Handler的中断里面去判断手指拔出与否，如果有手指则进入正常的采集模式，开启红灯，恢复高采样率。

// 主要寄存器配置(中断伪代码)
// Read 6 bytes from FIFO(first 3bytes : IR, next 3bytes : RED)
if ( IR Count > 2000 and current mode == proximity ) {  // 进入正常采集模式
    0x0C 0x? //RED LED: desired LED current for RED
    0x0D 0x? //IR LED: desired LED current for IR
    0x0A 0x4E //SPO2 CONFIGURATION SPO2_ADC_RGE : 8uA, SPO2_SR : 400HZ, LED_PW : 400us
    0x08 0x40 //FIFO CONFIG : SMP_AVG : 4 Samples : 100 Hz ODR
    current mode = HRM_SPO2
} 
else if ( IR Count < 5000 and current mode == HRM_SPO2 ) {  // 进入接近模式(待手指插入)
    0x0C 0x00 //RED LED: 0mA
    0x0D 0x19 //IR LED: 5mA
    0x0A 0x43 //SPO2 CONFIGURATION SPO2_ADC_RGE : 8uA, SPO2_SR : 50HZ, LED_PW : 400us
    0x04 0x00 //FIFO RESET
    0x05 0x00 //FIFO RESET
    0x06 0x00 //FIFO RESET
    0x08 0x00 //FIFO CONFIG
    current mode = proximity
}

需要注意，程序中 2000 和 5000 这两个阀值需要根据实际的情况去设置。

4.3 最终效果

两路PPG实时波形效果(蓝色曲线为红光，白色线为红外)：可以看出放入手指后，由于有反射，接收到的电流显著增大。

​

图8 对比手指插入后ppg的变化

​

图9 两路PPG细节（白色-红外，绿色-红光）

参考资料

[1] Proximity mode

[2] Pulse oximetry: Understanding its basic principles facilitates appreciation of its limitations

[3] GUIDELINES FOR SPO2 MEASUREMENT

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