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：    

if(halPulseSensorTouch())
{
  if( (refPeak = halPulseSensorPeakFitting()) == 0 )
    goto RET;

  // First Beat
  if(halPulseSensorGetNextBeat(refPeak) == 0)
    goto RET;

  // Clear and Start Timer
  HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_CLEAR();
  HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_START();

  // Skip the peak value
  HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(200);

  // Second Beat
  secondBeat = halPulseSensorGetNextBeat(refPeak);

  // Stop Timer and get the delay time
  HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_STOP();

  if(secondBeat == 0)
    goto RET;

  if( (beatTime = (uint16)HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_GET_TIME()) == 0 )
    goto RET;

  if( (dat.heartRate = (uint16)60000 / beatTime) != 0 )
    dat.ok = TRUE;
}

        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：

  // First Beat
  if(halPulseSensorGetNextBeat(refPeak) == 0)
    goto RET;

    开启定时器并尝试获取第二个峰值：

 // Clear and Start Timer
  HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_CLEAR();
  HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_START();

  // Skip the peak value
  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

  // Second Beat
  secondBeat = halPulseSensorGetNextBeat(refPeak);  // <---------------- 获取第二个峰值

  // Stop Timer and get the delay time
  HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_STOP();

    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：

if( (beatTime = (uint16)HAL_PULSE_SENSOR_TIMER_GET_TIME()) == 0 )
    goto RET;

  if( (dat.heartRate = (uint16)60000 / beatTime) != 0 )  // <------- 计算出心率
    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！

static BOOL halPulseSensorTouch(void)
{
  uint8 i;
  uint16 timeout = 0;

  uint8 cnt = 0;
  uint8 adc8Next;
  uint8 adc8;

  /* First touch or Realease */
  while( (adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8()) < HAL_PULSE_SENSOR_TOUCH_ADC8 ||
          adc8 > HAL_PULSE_SENSOR_REALEASE_ADC8)
  {
    HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(10);

    if(++timeout >= 100)
      goto ERROR;
  }

  /* Touching */
  adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();

  for(i = 0; i < HAL_PULSE_SENSOR_SPACING_CMP_TIMES; i++)
  {
    HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(20);
    adc8Next = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();

    if( ( adc8Next >= adc8 && adc8Next < (adc8 + HAL_PULSE_SENSOR_SPACING) ) ||
        ( adc8Next < adc8 && (adc8Next + HAL_PULSE_SENSOR_SPACING) > adc8 )  )
    {
      continue;
    }

    cnt++;
  }

  if(cnt >= HAL_PULSE_SENSOR_SPACING_CMP_TIMES/2)
    return TRUE;

ERROR:
  return FALSE;
}

    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。

static uint8 halPulseSensorGetPeak(void)
{
  uint16 i;
  uint8  adc8;
  uint8  adc8Peak = 0;

  /* Get and compare the ADC value in 3 Second */
  for(i = 0; i < 300; i++)
  {
    HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(10);

    adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();
    if(adc8 >= adc8Peak)
    {
      adc8Peak = adc8;
    }
  }

  if(adc8Peak <= HAL_PULSE_SENSOR_TOUCH_ADC8 ||
     adc8Peak >= HAL_PULSE_SENSOR_REALEASE_ADC8)
  {
    adc8Peak = 0;
  }

  return adc8Peak;
}

    

      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！

static uint8 halPulseSensorPeakFitting(void)
{
  uint8 peak;
  uint8 index;

  for(index = 0; index < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; index++)
  {
    if(halPulseSensorPeak_g[index] == 0)
      break;
  }

  if(index < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN)
  {
    peak = halPulseSensorGetPeak();
    halPulseSensorPeak_g[index] = peak;
  }
  else
  {
    for(uint8 i = 0; i < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; i++)
    {
      uint8 cnt = 0;

      if( halPulseSensorPeak_g[i] == 0 )
        continue;

      for(uint8 j = 0; j < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; j++)
      {
        if( halPulseSensorPeak_g[j] == 0 )
          continue;

        if( halPulseSensorPeak_g[i] < (halPulseSensorPeak_g[j] - HAL_PULSE_SENSOR_FITTING_ERR)  ||
            halPulseSensorPeak_g[i] > (halPulseSensorPeak_g[j] + HAL_PULSE_SENSOR_FITTING_ERR) )
        {
          cnt++;
        }
      }

      if(cnt >= (HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN/2))
        halPulseSensorPeak_g[i] = 0;
    }

    uint16 tmp = 0;
    uint8  tmpCnt = 0;
    for(uint8 i = 0; i < HAL_PULSE_SENSOR_PEAK_LEN; i++)
    {
      if( halPulseSensorPeak_g[i] == 0 )
        continue;

      tmp += halPulseSensorPeak_g[i];
      tmpCnt++;
    }

    peak = (uint8)(tmp/tmpCnt);
  }

  return peak;
}

    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！

static uint8 halPulseSensorGetNextBeat(uint8 refPeak)
{
  uint16 i;
  uint8 adc8, peak = 0;

  for(i = 0; i < 300; i++)
  {
    HAL_PULSE_SENSOR_DELAY_MS(10);

    adc8 = HAL_PULSE_SENSOR_ADC8();
    if( peak == 0 &&
        ( adc8 < (refPeak - HAL_PULSE_SENSOR_HEARTBEAT_ERR)  ||
          adc8 > (refPeak + HAL_PULSE_SENSOR_HEARTBEAT_ERR) ) )
    {
      continue;
    }

    if(adc8 >= peak)
    {
      peak = adc8;
      continue;
    }

    return peak;
  }

  return 0;
}