可穿戴設(shè)備具有改變健康和醫(yī)療監(jiān)控的潛力。具體而言，心率在活動(dòng)和休息期間提供對(duì)心臟功能和健康的巨大洞察力。光學(xué)半導(dǎo)體和低功率集成電路的創(chuàng)新和發(fā)展使得可穿戴設(shè)備的過(guò)渡成為可能。到目前為止，只有具有深度開發(fā)預(yù)算的大型組織才能提供這樣的高級(jí)產(chǎn)品。

Maxim MAXREFDES117＃為所有開發(fā)人員提供可穿戴設(shè)備的承諾。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)可測(cè)量心率和脈搏血氧飽和度。 MAXREFDES117＃采用MAX30102，集成紅色和紅外LED，用于心率和SpO2檢測(cè)。這種配置理想地檢測(cè)人的指尖，耳垂或其他肉質(zhì)末端的心率和脈搏牛。小板尺寸為12.7 mm x 12.7 mm（0.5 in x 0.5 in），是可穿戴應(yīng)用的理想選擇，可以縫合到織物中進(jìn)行即時(shí)原型設(shè)計(jì)。固件可用于Arduino和mbed平臺(tái)，使用戶幾乎可以在任何平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。用戶需要提供2 V至5.5 V電源，能夠提供1.5 mA（典型值為3.3 V輸入），幾乎適用于任何電池或Arduino和mbed外形板。

MAXREFDES117 #design采用心率/SpO2傳感器（MAX30102），一個(gè)高效的低功耗降壓轉(zhuǎn)換器（MAX1921）和一個(gè)精確的電平轉(zhuǎn)換器（MAX14595）。當(dāng)使用示例固件時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)通常工作在低于5.5 mW。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：MAXREFDES117＃參考設(shè)計(jì)框圖。

注意：控制器板單獨(dú)供電。

MAXREFDES117＃參考設(shè)計(jì)是基于PPG的心率和SpO2監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。該電路采用MAX30102心率/SpO2傳感器，集成紅色和紅外LED。降壓轉(zhuǎn)換器MAX1921將2 V轉(zhuǎn)換為5.5 V電源輸入，并為心率傳感器生成1.8 V電壓軌。 MAX14595電平轉(zhuǎn)換器在心率/SpO2傳感器和控制器板之間提供接口，通常使用不同的邏輯電平。

固件的詳細(xì)說(shuō)明

MAXREFDES117＃can幾乎任何具有I 2 C接口的微控制器都可以使用。 Arduino和mbed示例固件已在以下開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試：

mbed：

Maxim Integrated MAX32600MBED＃

NXP FRDM-K64F

NXP FRDM-KL25Z

Arduino：

Adafruit Flora

SparkFun Lilypad USB

< li> Arduino UNO

用戶可以通過(guò)終端程序讀取采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算心率和SpO2，從而可以對(duì)excel或任何第三方軟件進(jìn)行分析。簡(jiǎn)單的流程如圖2所示。

圖2：MAXREFDES117＃固件流程圖。

提供完整的源代碼，包括心率/SpO2算法，以加速開發(fā)。代碼文檔可以在相應(yīng)的固件平臺(tái)文件（Arduino Platform或mbed Platform）中找到。

心率準(zhǔn)確度因所選平臺(tái)而異。經(jīng)過(guò)測(cè)試的mbed平臺(tái)比測(cè)試的Arduino平臺(tái)提供更準(zhǔn)確的心率/SpO2計(jì)算，因?yàn)閙bed平臺(tái)控制器比Arduino平臺(tái)控制器擁有更多的SRAM。對(duì)于示例固件，mbed平臺(tái)存儲(chǔ)以100 sps收集的5秒樣本，而Arduino平臺(tái)存儲(chǔ)以25 sps收集的4秒樣本。

SpO2計(jì)算基于如下所示的等式。然而，確定常數(shù)（C1，C2和C3）需要使用該硬件對(duì)來(lái)自統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著的群體的脈搏血氧測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的臨床研究。這種臨床研究超出了本設(shè)計(jì)的范圍。因此，計(jì)算的SpO2值可能有誤差。

SpO2 = C1×AverageRatio 2 + C2×AverageRation + C3

其中AverageRatio是平均比率IR和紅色LED讀數(shù)。 C1，C2和C3是常量。

MAXREFDES117 #mbed快速入門指南

所需設(shè)備：

帶USB端口的Windows PC

MAXREFDES117＃board

將MAXREFDES117＃連接到控制器板的5條線

之前列出的三個(gè)支持的控制器板之一（Maxim Integrated MAX32600MBED＃，恩智浦FRDM-KL25Z或NXP FRDM-K64F）

一根micro USB線（適用于MAX32600MBED＃和FRDM-K64F）

一根迷你USB線（用于FRDM-KL25Z）

程序：

參考設(shè)計(jì)已完全組裝和測(cè)試。請(qǐng)按照以下步驟驗(yàn)證電路板操作：

在http://developer.mbed.org上創(chuàng)建一個(gè)帳戶以使用其在線編譯器。

從以下位置導(dǎo)入演示程序https://developer.mbed.org/teams/Maxim-Integrated/code/RD117_MBED/

將MAXREFDES117連接到控制器板（參見(jiàn)特定控制器板的相應(yīng)表格條目）：

MAX32600MBED＃端口MAXREFDES117端口P26 SDL SDA P27 SCL SCL P20 SCK RX INT 3.3V VIN GND GND FRDM-K64F端口MAXREFDES117端口E25 SDA E24 SCL D1 INT P3V3 VIN GND GND FRDM-KL25Z端口MAXREFDES117端口E0 SDA E1 SCL D1 INT 3.3V VIN GND GND

表1：MAXREFDES117＃與mbed控制器板的連接

使用USB電纜將控制器板連接到PC。

在MBED編譯器中，單擊右上角的按鈕以選擇適當(dāng)?shù)目刂破靼濉?/p>

編譯并將生成的二進(jìn)制文件下載到mbed平臺(tái)。

打開Hyperterminal或類似的PC上的終端程序。找到合適的COM端口，并為沒(méi)有流量控制的115200,8-N-1配置連接。

將手指放在MAXREFDES117＃上的U1頂部，與耳垂接觸也足夠了。恒定壓力產(chǎn)生最佳結(jié)果。

按下終端程序上的任意鍵，系統(tǒng)將開始轉(zhuǎn)換。

從左到右，前兩列顯示數(shù)據(jù)。紅色和紅外LED接收器。第三和第五列顯示計(jì)算的心率和SpO2值。第四和第六列顯示心率和SpO2計(jì)算的有效性。

MAXREFDES117＃Arduino快速入門指南

所需設(shè)備：

帶USB端口的Windows PC

MAXREFDES117＃board

兩端帶有抓取夾的5根電纜。

三種支持的控制器板之一（ Adafruit Flora，Lilypad USB或Arduino UNO板）

一根micro USB線（用于Lilypad或Flora）

一根A到B USB線（用于Arduino UNO）程序

步驟：

參考設(shè)計(jì)已完全組裝和測(cè)試。請(qǐng)按照以下步驟驗(yàn)證電路板操作：

如果PC上未安裝Arduino IDE，請(qǐng)按照入門指南在PC上安裝Arduino IDE。

如果選擇Adafruit Flora板作為控制器板：

按照Adafruit Windows驅(qū)動(dòng)程序安裝指南安裝驅(qū)動(dòng)程序。

按照“Adafruit Arduino IDE設(shè)置指南”進(jìn)行安裝Arduino IDE和Adafruit Flora板的支持文件。

下載源代碼RD117_ARDUINO.zip文件并將其解壓縮到所需位置。

雙擊RD117_ARDUINO。 ino在Arduino IDE中打開項(xiàng)目。

將MAXREFDES117連接到控制器板（參見(jiàn)特定控制器板的相應(yīng)表項(xiàng)）：

Flora端口MAXREFDES117端口SDA SDA SCL SCL D10 INT 3.3V VIN GND GND Lilypad USB端口MAXREFDES117端口2 SDA 3 SCL 10 INT + VIN - GND Arduino UNO端口MAXREFDES117端口SDA SDA SCL SCL 10 INT 3.3V VIN GND GND

表2： MAXREFDES117＃與Arduino控制器板的連接

使用USB電纜將控制器板連接到PC。

在Arduino IDE中，單擊工具菜單并確保選擇了相應(yīng)的電路板。

在工具菜單中選擇正確的通信端口。

按Sketch菜單中的Upload菜單項(xiàng)將固件上傳到電路板。

在PC上打開Hyperterminal或類似的終端程序。找到合適的COM端口，并為沒(méi)有流量控制的115200,8-N-1配置連接。

將手指放在MAXREFDES117＃上的U1頂部，與耳垂接觸也足夠了。恒定壓力產(chǎn)生最佳結(jié)果。

按下終端程序上的任意鍵，系統(tǒng)將開始轉(zhuǎn)換。

圖3：MAXREFDES117的輸出示例＃

從左到右，前兩列顯示紅色和紅外LED接收器的數(shù)據(jù)。第三和第五列顯示計(jì)算的心率和SpO2值。第四和第六列顯示心率和SpO2計(jì)算的有效性。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

使用的設(shè)備：

MAX32600MBED ＃

Adafruit Flora

Adafruit BlueFruit

Polar H7藍(lán)牙智能心率傳感器

Android平板電腦

圖4和圖5顯示MAXREFDES117如何計(jì)算心率與Polar H7胸帶相比。圖4中的數(shù)據(jù)是在人靜坐20分鐘時(shí)拍攝的。圖5中的數(shù)據(jù)是在人以正常速度行走20分鐘時(shí)拍攝的。

圖4：對(duì)于久坐不動(dòng)的測(cè)試，超過(guò)99％ mbed + MAXREFDES117＃心臟心率數(shù)據(jù)低于Polar H7胸帶的5次/分三角。

圖5：對(duì)于在移動(dòng)測(cè)試中，超過(guò)92％的Arduino + MAXREFDES117＃心率數(shù)據(jù)低于Polar H7胸帶的10次/分三角。