基于Pixart PAH8013ES+STM32F411实现耳机血氧与心率的检测方案_技术

耳朵是仅次于手指尖，毛细血管次丰富的地方，相对于手腕而言，光学式测量方案，从耳机会更容易到得到高质量的PPG信号，更有利于更高精准运动心率与血氧效果的测试。

本方案是基于原相的PAH8013ES +主控SMT32F411+ Gsensor LIS3DH，实现在耳机环境下实现高精性实时运动心率与血氧的测试方案，提供从硬件、FW、结构产品级应用指导。原相PAH8013是针对耳机应用方向的原相第二代光学PPG传感器，相比第一代8003产品，除性能提供外，运行功耗和待机功耗进一步降低，同时改用IR光源不可见光源测量PPG信号，改善第一代产品绿光方式会从耳朵背面看到绿光闪问题。PAH8013除测量运动心率外，还可以测量血氧饱和度。血氧饱和度（SpO2）是血液中被氧结合的氧合血红蛋白（HbO2）的容量占全部可结合的血红蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。PAH8013通过IR和红光两种光源，通过检测打入皮肤反射回的 IR和红光的比例，通过算法算出相关的血氧值。

STM32F411 是Cortex®-M4内核（具有浮点单元）的性能MCU，最高可工作在100 MHz主频，芯片内置高达256至512KB的Flash存储器和高达128KB的SRAM，为算法及后续的应用功能再扩展提供充足的空间。另外STM32F411 具有封装小，出色的低功耗性能，同时性价比高，更适用于对性能体积与价钱有需求的耳机产品。

硬件部分

PAH8013ES与STM32F411采用i2c方式的通信接口，并加上中断状态线INT和休眠控制线。其中8013的9脚与10脚接到SMT32F411的PB8和PA11的i2c接口连接脚，采用400HZ速率；8013的13脚中断信号INT1与MCU PA10连接，8013的休眠控制线PD与MCU PA12连接，其中INT1用于中断方式用于接到PPG数据；PD脚用于在不使用PAH8013ES时，通过MCU接高PD脚让PAH8013进入休眠省电状态。

Gsensor Lis3dh采用SPI方式与STM32F411通信接口， Lis3dh的SPI接到STM32F411的PA15、PB4、PB4、PB5 的芯片脚上，通信速率1M，外加中断通信线INT1和INT2，使用STM32F411的PA8、PA9。

板上的供电系统由一个3.3V和一个1.8V的LDO组成，给MCU、Gsensor及PAH8013ES提供所需的电压，各器件的IO通信电平使用3.3V。

原理图

主板部分

光学小板模组部分

PCB layout

软件接口部分

心率与血氧的算法放在STM32F411上运行，STM32F411每200ms从PAH8013读取40笔PPG数据及从LIS3DH读取约45笔左右 MENS，通过PPG数据与MENS数据运算出心率与血氧值，而MENS数据负责对运动作状态下的数据进行精度补尝。

在主函数调用demo_ppg_dri_HRD_SPO2（）;启动心率与血氧测试，约8~10秒算出第一个心率与血氧值，之后约每秒更新一次数值

心率与血氧的获取接口如下：

pah8series_get_hr（&hr）;------是获取心率数据的接口，由于算法是算浮点数，在数值显示直接显示整数部分

SpO2_GetSpO2（&mySpO2）;---是获取血氧数据的接口，输出整数，直接显示整数百分比就可

PROTING简介

pah8series_config.h文件的修改

1.#define ENABLE_MEMS_ZERO 关掉

如果系统的Gsensor还没有调好，可以先把此宏打开，先测试静态心率。此时会送入全0的Gsensor给算法，

注意：Gsensor调好后，不论静态动态，都需送入真实的Gsensor数据

2.设定Gensor量程，目前用的是-+8G量程，所以设定#define ALG_GSENSOR_MODE 4

3.根据所用的芯片型号，Cover设计方式、IO通信方式，打开以下宏定义

//-------Sensor IC Type---------//

#define __PAH8013ES

//-------Cover Type---------//

#define _DI_COVER

//-------IO Interface---------//

#define _I2C

main.c修改

1.设定中断回调函数 gpio_in_interrupt_handler（GPIO_IN gpio）

2.送入正确的系统的TIck时间，get_TIck_count（）-----单位为ms

pah_hrd_funcTIon.c修改

1.启动ppg数据采样时，同时启动Gsensor数据采样，调用accelerometer_start（）;这样可确保数据同步，

2.接收到的Gsensor数据送入指定的下面地方以便算法取得，accelerometer_get_fifo（&_state.pxialg_data.mems_data， &_state.pxialg_data.nf_mems）;

3.进入touch mode或离开心率模式，停止Gsensor数据采样，调用accelerometer_stop（）;

关于同步说明，PPG第一笔数据要与Gsensor第一笔数据时间上对齐，这样算法在插补后，每个ppg时间点才能与gsensor时间点一致，否则可以导致运动心率异常。目前是以ppg中断去接收Gsensor

pah_comm.c

根据通信方式与STM平台接口，补全读、与及连读接口代码

bool pah_comm_write（uint8_t addr， uint8_t data）

bool pah_comm_read（uint8_t addr， uint8_t *data）

bool pah_comm_burst_read（uint8_t addr， uint8_t *data， uint16_t num）

算法接口简介

PXIALG_API uint32_t pah8series_version（void）;---读取算法版本

PXIALG_API uint32_t pah8series_query_open_size（void）;----确认申请在系统上所需开内存大小

PXIALG_API uint8_t pah8series_open（void *pBuffer）;-----给算法开启pah8series_query_open_size确认的内存空间

PXIALG_API uint8_t pah8series_close（void）;---算法关闭

PXIALG_API uint8_t pah8series_reset（void）;---算法重启

PXIALG_API uint8_t pah8series_set_param（pah8series_param_idx_t idx， float p1）;---算法参考设定1

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_param（pah8series_param_idx_t idx， float *p1）;;---算法参考设定2

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_hr（float *hr）;---算法心率接口，0~255

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_hr_trust_level（int *hr_trust_level）;---信号可信度，0~4，数值越大，可信度就越高

PXIALG_API uint8_t pah8series_entrance（pah8series_data_t *pah8series_data）;----PPG与Gsensor数据传入接口

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_signal_level（int ch， uint8_t *signal_level）;---信号分数，0~100，，数值越大，信号就越好

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_motion_flag（uint8_t *motion_flag）;---检查用户运动状态，0静止，1运动

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_wear_index（uint32_t expo_time［3］， uint8_t led_dac［3］， uint8_t checkRaw， int *wear_index）;----判定用户佩戴松紧度，wear_index为0~3，0表示佩戴好，1~3数越大，佩戴越差

PXIALG_API int SpO2_GetSpO2（float *spo2）;---算法血氧接口，0~100

PXIALG_API int SpO2_GetReadyFlag（uint8_t *ready_flag）;---血氧算法标志

调试log如下