一、血氧測量原理

1.1 PPG波形介紹

血氧飽和度（英語：Oxygen saturation），或稱血氧濃度，是指血中氧飽和血紅蛋白相對于總血紅蛋白（不飽和+飽和）的比例，人體需要并調節血液中氧氣的非常精確和特定的平衡，人體的正常動脈血氧飽和度為95-100％，如果該水平低于90％，則被認為是低氧血癥，

血氧的測量主要分為透射式和反射式，目前的主流是透射式，但是兩者原理差不多，都是使用發光二極管（紅光RED，紅外IR，綠光GREEN和藍光BLUE等）照射被測部位，然后使用一個光電二極管接收透射/反射的光線，將光信號轉換為電信號，然后通過高精度的ADC測量反射回的電流大小，評估血液中的含氧量，

圖1 典型PPG 波形

上圖是一個典型的PPG波形，即光電二極管接收到原始的光信號波形，波形（由圖中間的白色橫虛線）可分為兩部分：DC signal 和 AC signal，即直流信號和交流信號，

其中直流信號由下到上可分為以下三部分的反射：組織（issue），靜脈血（Venous blood）和不跳動的動脈血（Non pulsatile arterial blood），當然對于不同年齡、性別和膚色等人不同，對應的DC signal 值也會不同，所以后面的血氧計算都是使用相對值，

而 AC signal 交流信號就比較單一：由跳動的動脈血反射得到，其中波峰對應心臟的收縮（Systole），波谷對應心臟舒張（Diastole），

1.2 心率計算(HR)

通過計算AC signal 兩個波峰的時間（圖中兩條豎著的黑色虛線），我們就能計算出心率，這里不再贅述，

1.3 灌注指數(PI)

臨床上，交流分量與直流分量的幅值之比反映了人體的血流灌注能力，稱為血流灌注指數(Perfusion Index，PI)，其運算式為:

$PI = AC/DC * 100%$

1.4 血氧計算(SpO2)

血壓計算公式也比較簡單，這里MAX30102是一路紅光，一路紅外，只分別算出紅光的交流除以紅光的直流即: ACred/DCred，和紅外的交流除以紅外的直流分量即：ACired/DCired，然后兩者再相除得到R，

得到 R 然后查表即可得到血氧值，也可以通過下面美信擬合的公式計算：

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

二、MAX30102傳感器原理

由上面的原理我們簡化為：將RED/IR 光射向皮膚，透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接受并轉換成電信號，再經過AD轉換成數字信號，簡化程序：光--> 電 --> 數字信號，所以我們需要控制光源LED的電流強度和采樣率，光敏傳感器的ADC精度（xbit）等，

圖2 MAX30102 系統框圖

三、MAX30102暫存器配置

3.1 初始化配置

在一般的配置中我們讓設備開機直接開始進入SpO2/HR 模式就好（PROX_INT_EN 置 0），設定兩個LED的電流都為0x40，然后開啟 RDY 中斷使能，這樣每次資料采集ok就可以中斷一次去處理資料，

// 主要暫存器配置引數
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.不然可能無法進中斷
MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS2);

3.2 FIFO讀取資料

MAX30102 FIFO 的深度為32，每個buf是6個位元組（兩通道資料，每通道3位元組），我么可以開啟 PPG_RDY_EN，這樣就能每來一個新的資料，就會中斷一次通知我們去取資料，讀FIFO_DATA 就會自動清掉中斷標志位，

圖3 FIFO 暫存器

FIFO相關的暫存器有4個，雖然是顯示均可讀寫（R/W），但是實際上只有 FIFO Read Pointer可以寫（應用在讀資料出錯，往回重讀一次的情況），其他 FIFO 暫存器均為只讀，

FIFO Write Pointer：好理解，就是寫指標暫存器，保存下一個新資料在 FIFO 中的寫地址，每次來一個資料，這個寫指標會自動移動一位，
Over Flow Counter: 如果32個FIFO深度滿了，就會在這里增加1，表示溢位，
FIFO Read Pointer：FIFO讀指標，始終指向下一個待讀取的FIFO地址，如果資料讀取后，讀地址也會自動增加，
FIFO Data Register: 可以簡單的理解為 *FIFO_RD_PTR，始終指向下一個資料，

I2C暫存器映射中的FIFO_DATA暫存器指向要從FIFO讀取的下一個樣本， FIFO_RD_PTR指向此樣本，所以雖然通過連續讀 FIFO_DATA 不會使該暫存器自增，但是 FIFO_DATA 暫存器實際是映射到FIFO_RD_PTR，而FIFO_RD_PTR 暫存器始終指向下一個待讀取的資料，所以對FIFO_DATA 連續讀，是能夠實作的，讀 FIFO 函式如下：

/*****************************************************************************************
* Function Name: MAX30102_Read_FIFO_Data
* Description  : 通過硬體I2C，讀取FIFO中的資料RED, IR.
* Arguments	   : *data：兩路電流值大小
* 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 采樣率和精度設定

簡單的說想要更高的ADC精度（位數），就得提高脈寬（增加ADC的采樣時間），但是脈寬又會受限制于采樣率，如果采樣率太高，這個每個周期的時間短可能太短，就不足以滿足高采樣率的脈寬要求，所以具體的設定參考下表：

圖4 脈寬示意圖

圖5 兩種模式各自允許設定采樣率表

由上表可知，如果我們在SpO2模式想要ADC的精度為 18bits，脈寬只能為400us，且采樣率最高只能到400Hz，兩個LED的點亮時序如下圖所示：

圖6 兩路LED的開啟時序

四、接近檢測功能（Proximity Mode）

通過以上的配置我們已經可以實作兩路（紅光和紅外）PPG的采集，但是為了優化設備的體驗，我們期望當手指離開傳感器后，能夠自動關閉LED，待手指插入后能自動開啟繼續采集，這樣可以做到省電且減少紅外的釋放，所以我們需要能夠自動的調節血氧傳感器的開啟和停止，而這個的實作就依賴于「接近檢測功能」，

「接近檢測功能」可以由硬體（傳感器本身的Proximity Mode功能）或者軟體（應用程式控制LED電流）兩種方法實作，基本原理都一樣：就是當紅外/紅燈的接收光線低于某一閥值后（表示手指離開），我們就將紅燈熄滅，同時降低紅外電流且降低采樣率，這樣達到不漏光且省電的效果，這個時候紅外作業在低采樣率階段，如果這時有手指接入，如果達到啟動閥值，則重新開始正常的采樣，恢復采樣率和紅光/紅外電流，

4.1 硬體實作（不推薦）

實際測驗發現，MAX30102其接近功能只能使用紅光去做接近檢測，所以就算手指拔出進入「接近模式」也會有紅色的光發散出來，影響體驗所以不推薦，但還是簡要的說明其操作步驟：

先將 MODE 設定為「SpO2/HR 模式」；
將 PROX_INT_EN 置為 1；（必須的！相當于使能硬體的Proximity Mode功能，置0則不會進入接近模式，直接資料采集）；
設定手指離開后，傳感器進入「接近模式」后的紅色LED電流大小：PILOT_PA ；
設定手指插入后，傳感器恢復「SpO2/HR 模式」的閥值：PROX_INT_THRESH；

圖7 兩個作業模式的轉換

主要暫存器配置如下：

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);     //喚醒血氧LED的閥值

MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS1);          //clear int flag first.不然可能無法進中斷
MAX30102_Read_Byte(INTERRUPT_STATUS2);

上述配置后，由于 PROX_INT_EN 已經置1，所以設備開機即進入「接近模式」，可以看到紅色燈微微亮起（此時紅外沒有作業），此時紅燈電流大小就是我們 PILOT_PA 暫存器設定的值，如果此時有手指插入，使紅色接收管大于 PROX_INT_THRESH 設定的值，那么就會進入「SpO2/HR 模式」，開始正常采集，

開始正常采集后，就算手指離開探頭也不會自動進入「接近模式」，想要進入需要我們手動的再次寫 MODE 暫存器：MAX30102_Write_Byte(MODE_CONFIG, 0x03); 至于何時寫 MODE 暫存器，需要應用程式通過用戶設定的閥值去判斷，

4.2 軟體實作（推薦）

如果使用軟體實作接近檢測，我們就可以使用紅外燈去做接近檢測，這樣肉眼就看不到紅外光，更合理，

主要思路是：我們初始化時只點亮紅外燈，關閉紅燈(驅動電流設為0)，然后在 Data DRDY 的中斷里，根據自己設定的紅外閥值去需要此時是否有手指插入，如果超過閥值就設定兩個 LED 的為正常采樣率、電流大小；如果再次低于閥值則關閉紅燈，降低紅外的采樣率和電流降低功耗，

步驟：1. Initial Setting – SW proximity mode

開機后，先關閉紅燈，紅外燈5ms電流，調低采樣率，等待手指插入，

// 主要暫存器配置
//暫存器地址 設定引數
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的中斷里面去判斷手指拔出與否，如果有手指則進入正常的采集模式，開啟紅燈，恢復高采樣率，

// 主要暫存器配置(中斷偽代碼)
// Read 6 bytes from FIFO(first 3bytes : IR, next 3bytes : RED)
if ( IR Count > 2000 and current mode == proximity ) {  // 進入正常采集模式
    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 ) {  // 進入接近模式(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，程式中 2000 和 5000 這兩個閥值需要根據實際的情況去設定，

4.3 最終效果

兩路PPG實時波形效果(藍色曲線為紅光，白色線為紅外)：可以看出放入手指后，由于有反射，接收到的電流顯著增大，

圖8 對比手指插入后ppg的變化

圖9 兩路PPG細節（白色-紅外，綠色-紅光）

參考資料

[1] Proximity mode

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

[3] GUIDELINES FOR SPO2 MEASUREMENT

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/206609.html

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