如何利用PAH8013ES与STM32F411实现高精性实时运动心率与血氧的测试方案

　　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MCUPA12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
　　光学小板模块部分
　　
　　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
　　
　　结构部分
　　如何保证在耳道有持续稳定的测量，结构设计起到关键的作用。优秀的设计，能保证适用于各种人群的耳朵，并在运动中仍保证耳机与皮肤优秀的接触稳定性
　　Cover设计结构如下图：
　　1.最上方灰色部分rubber软胶套，增加在佩戴时的接触舒适性
　　2.中间部分黑色为硬塑料模，此部分需要做要双料射出工艺，以有效在机构内部隔离串光问题
　　2.下方灰色为8013光学模块PCB板，需与中间部分黑色硬塑件紧贴，如漏光会对性能有较大影响
　　光学镜片开孔尺寸如下
　　另外由于在运动中，耳机有存在持续震动现场，而能否保证sensor Cover与皮肤能有效接触到，对PPG信号有至关重要，而一个适合的耳塞套对保持耳机在运动中的稳定性起到重要作用。
　　由于不同人的耳朵大小结构不同，一般会建议给用户至少配置如下3个尺寸（S、M、L），推存尺寸参考如下
　　►场景应用图
　　
　　►产品实体图
　　
　　►方案方框图
　　
　　►核心技术优势
　　1.耳道环境下的连续实时的心率与血氧测试
　　2.集成超低功率模式，休眠模式下低至1uA
　　3.触摸检测功能用不可见光（IR光源）
　　4.抗环境光干扰的光学涂层
　　5.集成的高精度的心率与血氧算法
　　►方案规格
　　1.测心率功耗：1370uA（一个红外灯工作，室内）
　　2.测血氧功耗：5810uA（一个红外灯与红灯工作，室内）
　　3.红外检测模式功耗：30μA
　　4.休眠功耗：1uA
　　5.心率检测范围：0- 255 bpm
　　6.血氧检测范围：0 - 100%