使用MAX30102模块踩坑记录（硬件与算法） |
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使用MAX30102模块踩坑记录（硬件与算法）
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之前的一个项目需要用到一款心率血氧传感器，选型选择了MAX30102，在ArduinoIDE或Vscode的PlatformIO插件中可以搜索到使用Arduino框架的MAX3010X库"SparkFun MAX3010x Pulse and Proximity Sensor Library"，库中包含了简单读取、心率测算、血氧测算、串口光强绘图等多个demo，用户可以快速完成驱动。我的项目使用了运行Arduino框架的ESP32来驱动MAX30102等传感器，并通过WiFi将处理后的数据发送到OneNET服务器。项目在Vscode+PlatformIO环境中完成开发。 然而烧录测试时发现，手指不接触sensor时，程序运行正常，手指一接触传感器，上位机立即收不到数据，排错许久后最终发现是硬件上的疏忽，原因总结如下：
如图1所示，实际测量时手指很容易按到排针焊点，由于人体相当于nF级别的对地电容，IIC通讯速率下，人体会对SDA或SCL线路产生电平干扰。如图2所示，这个干扰过程相当于IIC高电平经SDA或SCL上的上拉电阻对人体电容充电的过程，导致SDA或SCL线路上本该很陡的矩形波信号边沿变平滑，使得通讯失败。
下面分析上位机收不到数据的原因，以下是SparkFun官方库中的一个example，可以看到，手指按下后，如果IIC通讯失败，while条件始终为false，对Serial的操作全部被跳过，导致上位机收不到数据。 // ..\examples\Example7_Basic_Readings_Interrupts\Example7_Basic_Readings_Interrupts.ino void loop() { particleSensor.check(); //Check the sensor, read up to 3 samples while (particleSensor.available()) //do we have new data? { samplesTaken++; Serial.print(" R["); Serial.print(particleSensor.getRed()); Serial.print("] IR["); Serial.print(particleSensor.getIR()); Serial.print("] G["); Serial.print(particleSensor.getGreen()); Serial.print("] Hz["); Serial.print((float)samplesTaken / ((millis() - startTime) / 1000.0), 2); Serial.print("]"); if (digitalRead(interruptPin) == LOW) //Hardware way of reading interrupts { Serial.print(" INT!"); } byte flags = particleSensor.getINT1(); //Software way of reading interrupts if (flags) { Serial.print(" I["); Serial.print(flags, BIN); Serial.print("]"); } Serial.println(); particleSensor.nextSample(); //We're finished with this sample so move to next sample } }以下是SparkFun官方库中，读取MAX30102片上FIFO中IR传感器数据的实现，可以看到，读取失败会返回0值。所以即使MAX30102的环形FIFO已经满了，若手指干扰了IIC通讯，也只能读到0。 // ..\SparkFun MAX3010x Pulse and Proximity Sensor Library\src\MAX30105.cpp // Report the most recent IR value uint32_t MAX30105::getIR(void) { // Check the sensor for new data for 250ms if (safeCheck(250)) return (sense.IR[sense.head]); else return (0); // Sensor failed to find new data }解决办法如下： (1)降低IIC通讯速率 以下是SparkFun官方库对IIC通讯速率的定义，分别为标准模式100Kbps，高速模式400Kbps。 // ..\SparkFun MAX3010x Pulse and Proximity Sensor Library\src\MAX30105.h #define I2C_SPEED_STANDARD 100000 #define I2C_SPEED_FAST 400000通讯速率越高，波形畸变越严重，所以如果发现手指按下后读取数据失败，可以将IIC速率降低为100Kbps，如下所示。 // esp32_oneNET\src\main.cpp // Initialize MAX30102 void max30102_setup(void) { if (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_STANDARD)) // Use default I2C port, 100kHz speed Serial.println("MAX30105 was not found. Please check wiring/power. "); delay(1000); for (int i = 1; (!particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_STANDARD)); i++) { Serial.println(String("Retrying: the ") + String(i) + String(" times for ") + String("MAX30102")); delay(1000); } Serial.println("MAX30105 is activating!"); // MAX30102初始化配置 particleSensor.setup(ledBrightness, sampleAverage, ledMode, sampleRate, pulseWidth, adcRange); // Configure sensor with these settings }(2)绝缘 如果IIC总线上还挂载了其他设备，要求IIC必须工作在高速模式，最好在传感器表面垫一层透光率高的绝缘材料，比如透明胶带或保鲜膜。 另外，笔者认为SparkFun官方库计算心率使用的动态平均值软件滤波算法效果并不好，因此我在自己的项目中使用了FFT算法计算心率，最终计算心率的效果较为准确和稳定，文末附上开源链接：ESP32_ONENET 期待和大家学习交流 |
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