利用MAXREFDES117测量心率和脉搏血氧饱和度

可穿戴设备具有改变健康和医疗监控的潜力。具体而言，心率在活动和休息期间提供对心脏功能和健康的巨大洞察力。光学半导体和低功率集成电路的创新和发展使得可穿戴设备的过渡成为可能。到目前为止，只有具有深度开发预算的大型组织才能提供这样的高级产品。

Maxim MAXREFDES117＃为所有开发人员提供可穿戴设备的承诺。这种独特的设计可测量心率和脉搏血氧饱和度。 MAXREFDES117＃采用MAX30102，集成红色和红外LED，用于心率和SpO2检测。这种配置理想地检测人的指尖，耳垂或其他肉质末端的心率和脉搏牛。小板尺寸为12.7 mm x 12.7 mm（0.5 in x 0.5 in），是可穿戴应用的理想选择，可以缝合到织物中进行即时原型设计。固件可用于Arduino和mbed平台，使用户几乎可以在任何平台上进行开发。用户需要提供2 V至5.5 V电源，能够提供1.5 mA（典型值为3.3 V输入），几乎适用于任何电池或Arduino和mbed外形板。

MAXREFDES117 #design采用心率/SpO2传感器（MAX30102），一个高效的低功耗降压转换器（MAX1921）和一个精确的电平转换器（MAX14595）。当使用示例固件时，整个设计通常工作在低于5.5 mW。系统框图如图1所示。

图1：MAXREFDES117＃参考设计框图。

注意：控制器板单独供电。

MAXREFDES117＃参考设计是基于PPG的心率和SpO2监测子系统。该电路采用MAX30102心率/SpO2传感器，集成红色和红外LED。降压转换器MAX1921将2 V转换为5.5 V电源输入，并为心率传感器生成1.8 V电压轨。 MAX14595电平转换器在心率/SpO2传感器和控制器板之间提供接口，通常使用不同的逻辑电平。

固件的详细说明

MAXREFDES117＃can几乎任何具有I 2 C接口的微控制器都可以使用。 Arduino和mbed示例固件已在以下开发平台上进行了测试：

mbed：

Maxim Integrated MAX32600MBED＃

NXP FRDM-K64F

NXP FRDM-KL25Z

Arduino：

Adafruit Flora

SparkFun Lilypad USB

< li> Arduino UNO

用户可以通过终端程序读取采样数据，计算心率和SpO2，从而可以对excel或任何第三方软件进行分析。简单的流程如图2所示。

图2：MAXREFDES117＃固件流程图。

提供完整的源代码，包括心率/SpO2算法，以加速开发。代码文档可以在相应的固件平台文件（Arduino Platform或mbed Platform）中找到。

心率准确度因所选平台而异。经过测试的mbed平台比测试的Arduino平台提供更准确的心率/SpO2计算，因为mbed平台控制器比Arduino平台控制器拥有更多的SRAM。对于示例固件，mbed平台存储以100 sps收集的5秒样本，而Arduino平台存储以25 sps收集的4秒样本。

SpO2计算基于如下所示的等式。然而，确定常数（C1，C2和C3）需要使用该硬件对来自统计学上显着的群体的脉搏血氧测量数据进行全面的临床研究。这种临床研究超出了本设计的范围。因此，计算的SpO2值可能有误差。

SpO2 = C1×AverageRatio 2 + C2×AverageRation + C3

其中AverageRatio是平均比率IR和红色LED读数。 C1，C2和C3是常量。

MAXREFDES117 #mbed快速入门指南

所需设备：

带USB端口的Windows PC

MAXREFDES117＃board

将MAXREFDES117＃连接到控制器板的5条线

之前列出的三个支持的控制器板之一（Maxim Integrated MAX32600MBED＃，恩智浦FRDM-KL25Z或NXP FRDM-K64F）

一根micro USB线（适用于MAX32600MBED＃和FRDM-K64F）

一根迷你USB线（用于FRDM-KL25Z）

程序：

参考设计已完全组装和测试。请按照以下步骤验证电路板操作：

在http://developer.mbed.org上创建一个帐户以使用其在线编译器。

从以下位置导入演示程序https://developer.mbed.org/teams/Maxim-Integrated/code/RD117_MBED/

将MAXREFDES117连接到控制器板（参见特定控制器板的相应表格条目）：

MAX32600MBED＃端口MAXREFDES117端口P26 SDL SDA P27 SCL SCL P20 SCK RX INT 3.3V VIN GND GND FRDM-K64F端口MAXREFDES117端口E25 SDA E24 SCL D1 INT P3V3 VIN GND GND FRDM-KL25Z端口MAXREFDES117端口E0 SDA E1 SCL D1 INT 3.3V VIN GND GND

表1：MAXREFDES117＃与mbed控制器板的连接

使用USB电缆将控制器板连接到PC。

在MBED编译器中，单击右上角的按钮以选择适当的控制器板。

编译并将生成的二进制文件下载到mbed平台。

打开Hyperterminal或类似的PC上的终端程序。找到合适的COM端口，并为没有流量控制的115200,8-N-1配置连接。

将手指放在MAXREFDES117＃上的U1顶部，与耳垂接触也足够了。恒定压力产生最佳结果。

按下终端程序上的任意键，系统将开始转换。

从左到右，前两列显示数据。红色和红外LED接收器。第三和第五列显示计算的心率和SpO2值。第四和第六列显示心率和SpO2计算的有效性。

MAXREFDES117＃Arduino快速入门指南

所需设备：

带USB端口的Windows PC

MAXREFDES117＃board

两端带有抓取夹的5根电缆。

三种支持的控制器板之一（ Adafruit Flora，Lilypad USB或Arduino UNO板）

一根micro USB线（用于Lilypad或Flora）

一根A到B USB线（用于Arduino UNO）程序

步骤：

参考设计已完全组装和测试。请按照以下步骤验证电路板操作：

如果PC上未安装Arduino IDE，请按照入门指南在PC上安装Arduino IDE。

如果选择Adafruit Flora板作为控制器板：

按照Adafruit Windows驱动程序安装指南安装驱动程序。

按照“Adafruit Arduino IDE设置指南”进行安装Arduino IDE和Adafruit Flora板的支持文件。

下载源代码RD117_ARDUINO.zip文件并将其解压缩到所需位置。

双击RD117_ARDUINO。 ino在Arduino IDE中打开项目。

将MAXREFDES117连接到控制器板（参见特定控制器板的相应表项）：

Flora端口MAXREFDES117端口SDA SDA SCL SCL D10 INT 3.3V VIN GND GND Lilypad USB端口MAXREFDES117端口2 SDA 3 SCL 10 INT + VIN - GND Arduino UNO端口MAXREFDES117端口SDA SDA SCL SCL 10 INT 3.3V VIN GND GND

表2： MAXREFDES117＃与Arduino控制器板的连接

使用USB电缆将控制器板连接到PC。

在Arduino IDE中，单击工具菜单并确保选择了相应的电路板。

在工具菜单中选择正确的通信端口。

按Sketch菜单中的Upload菜单项将固件上传到电路板。

在PC上打开Hyperterminal或类似的终端程序。找到合适的COM端口，并为没有流量控制的115200,8-N-1配置连接。

将手指放在MAXREFDES117＃上的U1顶部，与耳垂接触也足够了。恒定压力产生最佳结果。

按下终端程序上的任意键，系统将开始转换。

图3：MAXREFDES117的输出示例＃

从左到右，前两列显示红色和红外LED接收器的数据。第三和第五列显示计算的心率和SpO2值。第四和第六列显示心率和SpO2计算的有效性。

实验室测量

使用的设备：

MAX32600MBED ＃

Adafruit Flora

Adafruit BlueFruit

Polar H7蓝牙智能心率传感器

Android平板电脑

图4和图5显示MAXREFDES117如何计算心率与Polar H7胸带相比。图4中的数据是在人静坐20分钟时拍摄的。图5中的数据是在人以正常速度行走20分钟时拍摄的。

图4：对于久坐不动的测试，超过99％ mbed + MAXREFDES117＃心脏心率数据低于Polar H7胸带的5次/分三角。

图5：对于在移动测试中，超过92％的Arduino + MAXREFDES117＃心率数据低于Polar H7胸带的10次/分三角。