MAX30001评估系统：生物电位与生物阻抗测量的理想之选

在电子工程领域，对于生物电位（如心电图ECG、R - to - R、起搏检测）和生物阻抗（BioZ）测量的评估系统需求日益增长。MAX30001评估系统就是这样一款出色的工具，它为工程师们提供了一个便捷的平台来评估MAX30001和MAX30002的功能与特性。下面，我们就来详细了解一下这个评估系统。

文件下载：MAX30001EVSYS#.pdf

一、系统概述

MAX30001评估系统（EV系统）提供了一个单一平台，用于评估MAX30001的生物电位和生物阻抗测量能力。该系统包括一个MAX30001评估套件（EV套件）和一个用于可穿戴设备的MAX32630FTHR Cortex - M4F微控制器。需要注意的是，MAX30002与MAX30001寄存器兼容，通过禁用ECG、PACE和R - to - R模块，MAX30001就等同于MAX30002，因此该EV套件也可评估MAX30002的功能和性能。不过要明确，这个EV系统并非医疗设备。

二、系统特点

2.1 便捷的评估平台

• 易于访问的测试点：众多易于触及的测试点，方便工程师进行各种测试和测量。
• 电流测量：能够测量各个电源电流，有助于对系统的功耗进行精确分析。
• 安全的连接：采用防触摸电缆连接器，保障操作安全。
• 兼容的软件：配备与Windows 7/8/10兼容的GUI软件，方便用户操作。
• 即插即用：完全组装和测试好，到手即可使用。
• 合规测试：有助于进行IEC 60601 - 2 - 47合规测试。
• 低功耗设计：采用超低功耗设计，适合各种应用场景。

2.2 系统内容

• 评估套件：MAX30001 EV套件。
• 微控制器：MAX32630FTHR。
• 连接线缆：USB A到micro - USB电缆。
• 测量线缆：3条ECG电缆。

三、快速启动

3.1 所需设备

• MAX30001 EV套件
• MAX32630FTHR
• 微USB电缆
• 带有USB端口的Windows PC

3.2 操作步骤

1. 确认MAX32630FTHR以正确的方向牢固安装在连接器J8和J7中。
2. 将EV套件硬件放置在非导电表面上，防止PCB上的元件短路。
3. 使用提供的USB电缆将EV套件硬件连接到PC。将micro - USB端连接到MAX32630FTHR板，A端连接到主机PC。连接后，MAX32630FTHR上的LED D1将闪烁红色，EV套件板上的LED D1将变为绿色。
4. Windows应自动开始安装必要的设备驱动程序。由于EV套件硬件的USB接口配置为HID设备，因此不需要独特/自定义的设备驱动程序。驱动程序安装完成后，Windows系统图标菜单附近会出现一条消息，表明硬件已准备好使用。在收到此消息之前，请勿尝试运行GUI。如果提前运行，必须关闭应用程序，待驱动程序安装完成后重新启动。在某些Windows版本中，可能需要管理员权限才能安装USB设备。
5. 安装设备驱动程序后，下载最新的EV套件软件（MAX30001EVKitSoftwareInstall.ZIP）并将其解压到临时文件夹。
6. 打开解压后的ZIP文件夹，双击.EXE文件运行安装程序。如果出现“无法验证发布者。您确定要运行此软件吗？”的消息框，请选择“是”选项。
7. 安装程序GUI出现后，点击“下一步”。选择安装路径，并决定是否在桌面上创建快捷方式。提示时，按“安装”。完成后，点击“关闭”。
8. 双击快捷方式启动GUI。或者，转到“开始”|“所有程序”，找到MAX30001EVKitSoftware文件夹，点击其中的MAX30001EVKitSoftware.EXE文件。
9. 初始启动画面后，当GUI出现时，GUI窗口底部状态栏右侧字段应显示“Hardware Connected”以及与EV套件关联的COM端口。

四、软件详细描述

4.1 软件启动

• 当软件打开时，如果EV系统已连接，软件首先初始化硬件以进行通信，然后读取设备寄存器并更新GUI上显示的所有相关控制字段。GUI底部的状态栏显示MAX32630FTHR固件版本、GUI版本以及硬件关联的COM端口。
• 如果启动时EV系统未连接，GUI启动画面后会出现“Connection Issue”对话框。点击“确定”打开GUI的连接窗口。使用“Scan Ports”按钮识别PC使用的所有COM端口，并在“COM Port”下拉菜单中选择与EV套件硬件关联的端口。即使在启动GUI之前已连接硬件，首次连接EV套件时也可能会出现此窗口。选择正确的COM端口后，按GUI底部中心的“Connect”进入主窗口，程序将读取所有设备寄存器并更新GUI的控制字段。

4.2 菜单栏功能

• 文件菜单：包含退出GUI程序的选项。
• 设备菜单：用于将EV系统连接或断开到GUI。如果在GUI打开时断开板卡连接，GUI右下角将显示“Hardware Not Connected”。重新插入设备后，用户可以导航到设备菜单并选择“Connect”。如果成功，GUI右下角将显示“Device Connected”并显示硬件连接的COM端口。
• 选项菜单：提供多个设置以访问GUI提供的更多功能。“Show MAX30001 Register Names”可将所有控制字段名称更改为与数据手册中的寄存器名称对应；“BioZ Milliohm Scale”可将BioZ绘图的缩放配置为以毫欧显示，以便更详细地查看BioZ测量值；“Plots Maximum Time”允许用户选择绘图上一次显示的数据秒数，默认最大时间为10秒；“Load Register Settings”可根据之前保存的寄存器设置快速设置GUI；“Save Register Settings”用于保存当前寄存器设置，以便以后加载；“Show Advanced Tab”设置将在GUI中添加一个名为“Advanced”的额外选项卡。
• 日志菜单：提供导出设备正在测量的准确数据的方法。有四个日志选项：ECG File Log、R - To - R File Log、Pace File Log和BioZ File Blog。选择任何日志选项会打开一个提示，要求输入逗号分隔值（CSV）日志文件的名称以及保存生成文件的位置。数据记录在“Plots”选项卡上按下“Start Monitor”时开始，按下“Stop Monitor”时结束。一次监控会话后，GUI会禁用日志记录，需要通过日志菜单生成新文件来记录下一组数据。
• 帮助菜单：包含有助于解决使用GUI时可能出现的问题的信息。“Online Documentation”将用户带到与MAX30001相关的Maxim Integrated网站，该网站包含与该部件相关的所有文档。“About”选项显示GUI启动画面，告知用户正在使用的GUI版本。

4.3 选项卡控制

• 主界面结构：GUI的主界面由选项卡控制组成，每个选项卡包含与设备各个模块相关的控件。更改这些交互式控件会触发对MAX30001的写入操作以更新寄存器内容，同样，从设备读取时这些控件会刷新。
• 各选项卡功能
  • Home选项卡：提供MAX30001 EV套件功能和预设寄存器配置的概述。MAX30001框图中的青色文本链接到GUI中该功能模块的选项卡。框图下方有六个快速启动设置，可根据描述配置设备的寄存器。点击左侧框中所需的设置并点击“Apply Settings”，MAX30001将写入指定的配置。这些预设允许用户快速验证EV套件的功能。“Go To Plot Tab”按钮将GUI切换到“Plots”选项卡，在该选项卡上点击“Start Monitor”按钮可启动测量数据的实时图表。
  • ECG Channel选项卡：包含所有决定ECG测量通道信号处理行为的设置。ECG输入通道的控件，如快速恢复设置、可编程放大器的增益和ADC采样率，可在ECG通道框图中找到。R - to - R框使用ECG输入数据配置R - to - R检测。
  • ECG MUX选项卡：配置ECG放大器和滤波器之前的内部ECG开关，还可访问IC的内部校准和验证功能。为了测量外部ECG信号，“Switches”块中的“ECGP Switch”和“ECGN Switch”必须设置为“Connected”。如果使用校准测试电压，开关应设置为“Isolated”。建议将“Resistive Lead Bias Enable”设置为“ECG Bias”，“Resistive Bias Value”设置为100MΩ，“Positive Input Bias Enable”和“Negative Input Bias Enable”设置为“Connected”。
  • BioZ Channel选项卡：控制BioZ输入MUX之后的BioZ组件的设置。与ECG Channel选项卡一样，此选项卡上的控件配置设备BioZ通道的滤波器和放大器。
  • BioZ MUX选项卡：配置BioZ信号路径之前的内部BioZ开关，也可访问IC的内部校准和验证功能。要使用BioZ通道，“Switches”块中的“BIP Switch”和“BIN Switch”必须设置为“Connected”。如果使用内部自测试功能，开关应设置为“Isolated”。作为BioZ自测试的一部分，DRVP和DRVN引脚上有一个电阻负载。点击“Selectable Resistive Load”将GUI带到“BioZ Load”选项卡。
  • BioZ Load选项卡：配置用于BioZ通道自测试的电阻负载。标称电阻和调制频率由“Modulated Resistance Built - In - Self - Test (RMOD BIST)”块中的“Nominal Resistance”和“Frequency”控件设置。“RMOD BIST Enable”配置BioZ通道连接或断开电阻负载。
  • Pace Channel选项卡：配置起搏检测的输入通道。除了设置通道增益和检测阈值外，此选项卡还可使用“Signal Selection”控件将输入路径中各个点的信号路由到AOUT。要启用起搏检测，BioZ MUX选项卡中的“BIP Switch”和“BIN Switch”必须设置为“Connected”。如果使用电流发生器同时测量BioZ和起搏，频率必须为40kHz或80kHz。
  • Plots选项卡：启用ECG和BioZ波形的实时监控。默认情况下，ECG和BioZ绘图均可见。通过“Channel/Plot Enable”中的控件切换可更改显示的绘图。如果启用ECG并禁用BioZ，绘图区域将完全被ECG波形占据；如果启用BioZ而禁用ECG，BioZ绘图将最大化。当两个测量通道都启用时，绘图空间包含ECG和BioZ数据。R - to - R和起搏数据显示在ECG绘图中，R - to - R峰值检测在R波峰值处用红色圆圈表示，起搏数据在起搏信号的上升和下降斜率上显示为青色箭头。从R - to - R检测中收集的心率信息可在绘图区域下方的“Heart Rate (from R - to - R)”框中找到。
  • MicroSD Log选项卡：MAX30001 EV套件可以使用MAX32630FTHR的SD卡读写功能将日志数据存储到microSD卡并从中读取。这允许在连接USB电缆或从PC主机断开USB并使用电池为EV套件供电时进行数据记录。要使用SD卡，在启动GUI之前将卡插入MAX32630FTHR板底面的连接器CN2中。在“MicroSD Log”选项卡中配置SD卡记录。GUI可以分别使用“Read”、“Write”和“Erase”按钮保存、加载和清除存储的寄存器配置设置。按下“Advanced”显示按下“Write”时要写入SD卡设置文件的当前寄存器内容。确认寄存器配置后，在“ECG Channel Log Enable”框中选择要保存的数据类型，然后按下“Write”将测量参数加载到SD卡。按下MAX32630FTHR板上的SW2开始记录，再次按下停止记录。当EV套件在记录数据后重新连接到GUI时，SD卡中的数据可以保存到主机PC。按下“Save to File”打开文件对话框，选择记录数据的保存位置和文件名。数据以CSV格式存储。
  • Registers选项卡：提供对MAX30001内部寄存器的更直接访问。从该选项卡可以读取单个寄存器的内容，并手动输入写入操作所需的位设置。对于左侧表中选择的寄存器地址，其内容显示在选项卡底部，并可视化为粗体和非粗体位名称。当位为粗体时，其值为1；否则为0。每个位的完整描述可在“Bit Description”字段中快速参考。按下“Read”读取选定的寄存器（以青色突出显示），按下“Read All”读取所有寄存器并更新“Registers”选项卡中的值。要写入寄存器，通过点击位名称使其变为粗体或非粗体来设置所需的位值，然后按下“Write”。或者，双击选定行的“Value (Hex)”单元格手动输入值，然后按“Enter”键将值写入设备寄存器。
  • Advanced选项卡：可通过“Options”工具条菜单访问。该选项卡提供与MAX30001的手动通信，完全绕过GUI控件。在“Address”字段中以十六进制值输入寄存器地址。按下“ReadReg”按钮从寄存器读取数据，数据将填充到“Read Data”字段中。要写入数据，在“Write Data”字段中输入十六进制值，然后按下“WriteReg”按钮。“Command Line”显示GUI发送到EV套件的格式化命令。

五、硬件详细描述

5.1 硬件平台

MAX30001 EV系统为评估MAX30001的生物电位和生物阻抗测量功能提供了单一平台。电路板包含跳线、可选电阻和电容，可在多种条件下测试MAX30001。板载32.768kHz晶体振荡器（U5）为IC提供FCLK，但也支持外部频率生成。

5.2 跳线功能

文档中详细列出了各种跳线及其功能，例如J_ECGN、J_ECGP等跳线用于连接IC和EV套件的相应引脚，不同的跳线位置可实现不同的电路连接和功能。

5.3 供电方式

• 外部供电：在跳线J_EXT_PWR的1 - 2位置安装分流器，将EXT_PWR测试点连接到电路板的5V导轨。将电源输出设置为+5V，禁用输出，将正极连接到EXT_PWR，负极连接到AGND1，然后启用电源。
• 通过MAX32630FTHR供电：在跳线J_SYS的1 - 2位置安装分流器，将SYS节点连接到5V导轨。SYS调节USB电压或直接连接到电池（如果存在）。MAX30001 IC从OVDD、AVDD和DVDD引脚接收电源，这些引脚可以通过MAX32630FTHR、外部测试点或可调LDO U2和U3供电。

5.4 测量配置

• 线路电阻：MAX30001 EV套件的ECG通道和BioZ通道允许用户通过电阻R26和R27（BioZ）以及R29和R30（ECG）自定义线路电阻。默认情况下，这些电阻为0Ω分流器，但可根据应用进行更改。
• 滤波电容：电路板允许在ECG和BioZ线路上安装外部低通滤波电容。电容C8和C25可分别为ECG和BioZ线路创建外部共模滤波器，C24、C29、C26和C28用于滤波ECGP、ECGN、BIP和BIN。滤波器的截止频率由这些电容的值和输入电阻R26、R27、R29和R30决定。
• 短路设置：电路板还允许通过跳线EP_EN和BP_BN分别短路ECGN和ECGP或BIN和BIP输入。

5.5 具体测量

• ECG测量：EV套件出厂时配置为使用平衡电极测量ECG、R - to - R和BioZ信号。默认情况下，ECG通道保持平衡。通过移除EN_UNBAL和EP_UNBAL上的分流器，ECGN和ECGP线路将分别包含一个51kΩ电阻和47nF电容并联。
• BioZ测量：EV套件包含一个100Ω电阻用于验证BioZ配置。在RP和RN上安装分流器将电阻连接到BioZ输入，在DP_BP和DN_BN上安装分流器将驱动信号路由到BioZ通道。需要注意的是，电流发生器的默认设置为FMSTR/64（约500Hz），BioZ通道有一个默认截止频率为1kHz的内部高通滤波器。为了正确测量100Ω电阻，需要旁路或降低滤波器截止频率，或者增加电流发生器频率。
• 起搏检测：要启用起搏检测，需要通过分流EN_BN和EP_BP将ECGN和ECGP线路连接到BIN和BIP，然后按照IC数据手册中的描述配置设备寄存器。或者，可将EP_BP和EN_BN保持开放，分流J_BIP和J_BIN，直接在BIP和BIN输入上测量起搏，同时允许在ECG通道上测量另一个信号，但这种配置下测量的起搏信号可能与ECG测量不对应。

六、组件供应商与订购信息

6.1 组件供应商

文档列出了多个组件供应商及其网站，如Bourns、Epson、Kemet等。在联系这些供应商时，需表明正在使用MAX30001 EV套件。

6.2 订购信息

可通过联系Maxim Direct（电话：1 - 888 - 629 - 4642）或访问Maxim Integrated的网站（www.maximintegrated.com）获取定价、交付和订购信息。订购的部件为MAX30001EVSYS#（EV系统）。

MAX30001评估系统为电子工程师提供了一个全面、便捷的平台，用于评估生物电位和生物阻抗测量功能。无论是从软件的丰富功能还是硬件的灵活配置来看，都能满足工程师在相关领域的测试和开发需求。你在使用类似评估系统时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。