Pulse Sensor 心率传感器CC2530源码

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     最近有朋友需要通过Pulse Sensor也就是心率传感器结合ZigBee进行开发，ZigBee是Ti的方案，主控是CC2530，因此写了这款传感器的驱动程序！

     Pulse Sensor是一款用来检测心率的传感器，使用方法还是比较方便的，用户只需要用手指按住传感器就可以，传感器的实物图如下：

            正面                            背面

                  

    Pulse Sensor检测原理是通过发射光源，然后根据光源返回的效果输出ADC数据。由于手指上布满毛细血管，而毛细血管会随着心率而跳动，这就导致传感器发射和接收光的效果不同，从而达到ADC输出效果不同，比如下图就是ADC的输出图：

    

    因此检测心率的方式很简单：测出两个ADC峰值间的时长，假设这个时长为T，单位是毫秒，那么1分钟的心率假设为S，则：

    S = 60000/T 次/秒

    程序设计需要考虑的地方：

    1. 传感器检测时，必须手指按在传感器上，否则检测的数据是不对的，所以首先要判断传感器是否有手指接触。

    2. 如何正确的获取两次峰值数据？

  程序逻辑：    

1. if(halPulseSensorTouch())  
2. {  
3.   if( (refPeak = halPulseSensorPeakFitting()) == 0 )  
4.     goto RET;  
5.     
6.   // First Beat  
7.   if(halPulseSensorGetNextBeat(refPeak) == 0)  
8.     goto RET;  
9.       
10.   // Clear and Start Timer  
11.   HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_CLEAR();  
12.   HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_START();  
13.     
14.   // Skip the peak value  
15.   HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(200);  
16.     
17.   // Second Beat  
18.   secondBeat = halPulseSensorGetNextBeat(refPeak);  
19.     
20.   // Stop Timer and get the delay time      
21.   HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_STOP();  
22.     
23.   if(secondBeat == 0)  
24.     goto RET;  
25.       
26.   if( (beatTime = (uint16)HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_GET_TIME()) == 0 )  
27.     goto RET;  
28.     
29.   if( (dat.heartRate = (uint16)60000 / beatTime) != 0 )  
30.     dat.ok = TRUE;  
31. }  

        首先我们通过函数halPulseSensorTouch()检测是否手指是触摸在传感器上的，如果是我们才进行数据读取！

    然后函数halPulseSensorPeakFitting()是用来获取ADC峰值的数据，这个函数会拟合出一个峰值的数值作为参考数值，

具体的做法是不断地获取峰值数据，然后筛选出相近的一组数值求取平均值，这个平均值将作为峰值参考数值！

    然后确定一个峰值点，作为时间的起始点，这时候开启定时器，定时时间直到获取到下一个峰值点，这段时间就是一次心跳

的时长：

1.   // First Beat  
2.   if(halPulseSensorGetNextBeat(refPeak) == 0)  
3.     goto RET;  

    开启定时器并尝试获取第二个峰值：

1.  // Clear and Start Timer  
2.   HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_CLEAR();  
3.   HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_START();  
4.     
5.   // Skip the peak value  
6.   HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(200);  // <-- 获取一个峰值后，如果直接读取数据，可能瞬间读到的数据还是峰值数据，所以通过延时跳过峰值阶段
7.     
8.   // Second Beat  
9.   secondBeat = halPulseSensorGetNextBeat(refPeak);  // <---------------- 获取第二个峰值
10.     
11.   // Stop Timer and get the delay time      
12.   HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_STOP();  
13. 
    

    剩下的数据就是读取这段时间定时器时长，然后计算出心率就OK了：

1. if( (beatTime = (uint16)HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_GET_TIME()) == 0 )  
2.     goto RET;  
3.     
4.   if( (dat.heartRate = (uint16)60000 / beatTime) != 0 )  // <------- 计算出心率
5.     dat.ok = TRUE;  

    判断手指是否按下的方法： 先获取一个ADC的数据作为参考点，然后连续再获取20个数据（数量可调整）作为采样点，如果说这些采样点有一半以上和参考点是相近的，可以认为是没有手指按下！

1. static BOOL halPulseSensorTouch(void)  
2. {  
3.   uint8 i;  
4.   uint16 timeout = 0;  
5.     
6.   uint8 cnt = 0;  
7.   uint8 adc8Next;  
8.   uint8 adc8;  
9.     
10.   /* First touch or Realease */  
11.   while( (adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8()) < HAL_PULSE_SENSOR_TOUCH_ADC8 ||   
12.           adc8 > HAL_PULSE_SENSOR_REALEASE_ADC8)  
13.   {  
14.     HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(10);  
15.       
16.     if(++timeout >= 100)  
17.       goto ERROR;  
18.   }  
19.   
20.   /* Touching */  
21.   adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();  
22.     
23.   for(i = 0; i < HAL_PULSE_SENSOR_SPACING_CMP_TIMES; i++)  
24.   {  
25.     HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(20);  
26.     adc8Next = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();  
27.       
28.     if( ( adc8Next >= adc8 && adc8Next < (adc8 + HAL_PULSE_SENSOR_SPACING) ) ||  
29.         ( adc8Next < adc8 && (adc8Next + HAL_PULSE_SENSOR_SPACING) > adc8 )  )  
30.     {  
31.       continue;  
32.     }  
33.       
34.     cnt++;  
35.   }  
36.     
37.   if(cnt >= HAL_PULSE_SENSOR_SPACING_CMP_TIMES/2)  
38.     return TRUE;  
39.     
40. ERROR:  
41.   return FALSE;  
42. }  

    获取峰值的方法： 由于人的心率是有范围的，正常人是60~100次/分钟，也有可能50、120这样，如果我们取一个极限值30次/Min，也就是说两个峰值的时长是2秒，再极端点算3秒，时长可自行调整，也就是说3秒内一定最少有一个峰值数据出现，我们只需要在这段时间内不断的获取ADC数据然后取最大值即可！当然这个过程还需要考虑其他情况，比如手指突然松开等等。

1. static uint8 halPulseSensorGetPeak(void)  
2. {  
3.   uint16 i;  
4.   uint8  adc8;  
5.   uint8  adc8Peak = 0;  
6.     
7.   /* Get and compare the ADC value in 3 Second */  
8.   for(i = 0; i < 300; i++)  
9.   {  
10.     HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(10);  
11.       
12.     adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();  
13.     if(adc8 >= adc8Peak)  
14.     {  
15.       adc8Peak = adc8;  
16.     }  
17.   }  
18.     
19.   if(adc8Peak <= HAL_PULSE_SENSOR_TOUCH_ADC8 ||  
20.      adc8Peak >= HAL_PULSE_SENSOR_REALEASE_ADC8)  
21.   {  
22.     adc8Peak = 0;  
23.   }  
24.     
25.   return adc8Peak;  
26. }  

    

      拟合峰值数据的方法：可以在每次获取心率时，由于每次都需要获取峰值来作为参考峰值数据，所以我们可以保存起来，比如保存10个数据，然后把这10个数据中相近的数值保留起来，其他删除等到下次更新，直到10个数据都是相近数据，然后我们可以算出平均值，这个平均值就会一直作为我们的参考峰值数据了！

1. static uint8 halPulseSensorPeakFitting(void)  
2. {  
3.   uint8 peak;  
4.   uint8 index;  
5.   
6.   for(index = 0; index < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; index++)  
7.   {  
8.     if(halPulseSensorPeak_g[index] == 0)  
9.       break;  
10.   }  
11.     
12.   if(index < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN)  
13.   {  
14.     peak = halPulseSensorGetPeak();  
15.     halPulseSensorPeak_g[index] = peak;  
16.   }  
17.   else  
18.   {  
19.     for(uint8 i = 0; i < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; i++)  
20.     {  
21.       uint8 cnt = 0;  
22.         
23.       if( halPulseSensorPeak_g[i] == 0 )  
24.         continue;  
25.         
26.       for(uint8 j = 0; j < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; j++)  
27.       {  
28.         if( halPulseSensorPeak_g[j] == 0 )  
29.           continue;  
30.           
31.         if( halPulseSensorPeak_g[i] < (halPulseSensorPeak_g[j] - HAL_PULSE_SENSOR_FITTING_ERR)  ||  
32.             halPulseSensorPeak_g[i] > (halPulseSensorPeak_g[j] + HAL_PULSE_SENSOR_FITTING_ERR) )  
33.         {  
34.           cnt++;  
35.         }  
36.       }  
37.         
38.       if(cnt >= (HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN/2))  
39.         halPulseSensorPeak_g[i] = 0;  
40.     }  
41.       
42.     uint16 tmp = 0;  
43.     uint8  tmpCnt = 0;  
44.     for(uint8 i = 0; i < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; i++)  
45.     {  
46.       if( halPulseSensorPeak_g[i] == 0 )  
47.         continue;  
48.         
49.       tmp += halPulseSensorPeak_g[i];  
50.       tmpCnt++;  
51.     }  
52.       
53.     peak = (uint8)(tmp/tmpCnt);  
54.   }  
55.     
56.   return peak;  
57. }  

    根据参考峰值数据获取心跳峰值点方法：我们会设置一段时间，比如3秒，然后在这段时间内不断的获取数据，如果获取的数据和参考峰值数据相近，我们会标记为峰值点记为A，然后继续获取，如果数据比A大，那么更新A，直到数据比A小，也就是呈现出下降趋势，说明已经到峰值点了，那么我们就会停止获取数据的动作并立即返回！

1. static uint8 halPulseSensorGetNextBeat(uint8 refPeak)  
2. {  
3.   uint16 i;  
4.   uint8 adc8, peak = 0;  
5.     
6.   for(i = 0; i < 300; i++)  
7.   {  
8.     HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(10);  
9.       
10.     adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();  
11.     if( peak == 0 &&  
12.         ( adc8 < (refPeak - HAL_PULSE_SENSOR_HEARTBEAT_ERR)  ||  
13.           adc8 > (refPeak + HAL_PULSE_SENSOR_HEARTBEAT_ERR) ) )  
14.     {  
15.       continue;  
16.     }  
17.       
18.     if(adc8 >= peak)  
19.     {        
20.       peak = adc8;  
21.       continue;  
22.     }  
23.       
24.     return peak;  
25.   }  
26.     
27.   return 0;  
28. }