心率血氧传感器MAX30102使用介绍

概述

MAX30102 是一款集成式脉搏血氧检测和心率监测模块。它内置发光二极管（LED）、光电探测器、光学元件以及具备环境光抑制功能的低噪声电子元件。该模块为移动设备和穿戴式设备提供了完整的系统解决方案，能有效简化设计流程。

MAX30102 采用 1.8V 单电源供电，内部 LED 则需单独使用 3.3V 电源。模块通过标准 I2C 兼容接口进行通信，可通过软件关闭，待机电流为零，电源轨可始终保持供电状态。

采用 LED 反射式方案，集成心率监测器和脉搏血氧传感器
超小尺寸：5.6mm × 3.3mm × 1.55mm，14 引脚光学模块
内置防护玻璃，确保最佳且稳定的性能
超低功耗运行，适配移动设备
可编程采样率和 LED 电流，实现节能
低功耗心率监测器（功耗＜1mW）
超低关断电流（典型值 0.7µA）
快速数据输出能力
高采样率
强大的运动伪影抗干扰能力
高信噪比（SNR）
工作温度范围：-40°C 至 +85°C

引脚

引脚	名称	功能
1、5、6、7、8、14	N.C.	无连接。连接至印刷电路板（PCB）焊盘以保证机械稳定性。
2	SCL	I2C
3	SDA	I2C
4	PGND	LED
9、10	VLED+	LED 电源（阳极连接）。为获得最佳性能，需连接旁路电容至 PGND。
11	VDD	模拟电源输入。为获得最佳性能，需连接旁路电容至 GND。
12	GND	模拟地
13	INT	低电平有效中断（开漏）。需通过上拉电阻连接至外部电压。

框图、原理图

FIFO

MAX30102 可通过软件寄存器进行全面调节，数字输出数据可存储在芯片内部 32 深度的先进先出存储器（FIFO）中。FIFO 允许 MAX30102 通过共享总线连接至微控制器或处理器，无需持续从 MAX30102 的寄存器中读取数据。

血氧饱和度（SpO₂）子系统

MAX30102 的血氧饱和度（SpO₂）子系统包含环境光消除（ALC）、连续时间 Σ-Δ 模数转换器（ADC）和专有离散时间滤波器。环境光消除（ALC）具备内部采样 / 保持电路，可抵消环境光并提高有效动态范围。血氧饱和度（SpO₂）模数转换器（ADC）的满量程范围可在 2µA 至 16µA 之间编程设置，环境光消除（ALC）可抵消高达 200µA 的环境电流。

内部模数转换器（ADC）是一款连续时间过采样 Σ-Δ 转换器，分辨率为 18 位，采样率为 10.24MHz。模数转换器（ADC）输出数据率可在 50sps（每秒采样数）至 3200sps 之间编程设置。

温度传感器

MAX30102 内置片上温度传感器，用于校准血氧饱和度（SpO₂）子系统的温度依赖性。温度传感器的固有分辨率为 0.0625°C。

器件输出数据对红外光 LED 的波长相对不敏感，但红光 LED 的波长对数据的正确解读至关重要。配合 MAX30102 输出信号使用的血氧饱和度（SpO₂）算法，可补偿环境温度变化带来的相关血氧饱和度（SpO₂）误差。

LED 驱动器

MAX30102 集成红光和红外光 LED 驱动器，可为血氧饱和度（SpO₂）和心率（HR）测量提供 LED 脉冲调制。在供电电压合适的情况下，LED 电流可在 0 至 50mA 之间编程设置。LED 脉冲宽度可在 69µs 至 411µs 之间编程设置，使算法能根据使用场景优化血氧饱和度（SpO₂）和心率（HR）的测量精度及功耗。

寄存器

Interrupt Status (0x00--0x01)

当中断触发时，MAX30102 会将低电平有效中断引脚拉至低电平，直至中断被清除。

A_FULL：FIFO 接近满标志。在血氧饱和度（SpO₂）和心率（HR）模式下，当 FIFO 写指针剩余一定数量的空闲空间时，该中断触发。触发数量可通过 FIFO_A_FULL [3:0] 寄存器设置。读取中断状态 1 寄存器（0x00）可清除该中断。
PPG_RDY：FIFO 新数据就绪。在血氧饱和度（SpO₂）和心率（HR）模式下，当数据 FIFO 中有新样本时，该中断触发。读取中断状态 1 寄存器（0x00）或 FIFO_DATA 寄存器可清除该中断。
ALC_OVF：环境光消除溢出。当血氧饱和度（SpO₂）/ 心率（HR）光电二极管的环境光消除功能达到最大限制，导致环境光影响模数转换器（ADC）输出时，该中断触发。读取中断状态 1 寄存器（0x00）可清除该中断。
PWR_RDY：电源就绪标志。上电时或掉电后，当电源电压 VDD 从低于欠压锁定（UVLO）电压升至高于欠压锁定（UVLO）电压时，会触发电源就绪中断，表明模块已上电并准备好采集数据。
DIE_TEMP_RDY：内部温度就绪标志。当内部芯片温度转换完成后，该中断触发，处理器可读取温度数据寄存器。读取中断状态 2 寄存器（0x01）或 TFRAC 寄存器（0x20）可清除该中断。

读取中断状态寄存器或触发中断的寄存器时，中断会被清除。例如，若血氧饱和度（SpO₂）传感器完成转换后触发中断，读取 FIFO 数据寄存器或中断寄存器均可清除中断引脚（使其返回正常高电平状态），同时将中断状态寄存器中的所有位清零。

Interrupt Enable (0x02-0x03)

除电源就绪中断外，其他所有硬件中断源均可通过 MAX30102 芯片内部的软件寄存器禁用。电源就绪中断无法禁用，因为掉电（电源电压过低）时模块的数字状态会复位，且默认状态下所有中断均处于禁用状态。此外，系统需要知晓是否发生过掉电，以及模块内数据是否因此复位。

正常工作时，未使用的位应始终设置为 0。

FIFO (0x04--0x07)

FIFO 写指针

FIFO 写指针指向 MAX30102 下一个样本的写入位置。每向 FIFO 中写入一个样本，该指针就会递增。当 MODE [2:0] 为 010、011 或 111 时，也可通过 I2C 接口修改该指针。
FIFO 溢出计数器

当 FIFO 满时，新样本无法写入，会发生数据丢失。溢出计数器（OVF_COUNTER）用于统计丢失的样本数，最大值为 0x1F（31）。当从 FIFO 中 "弹出" 一个完整样本（即移除旧的 FIFO 数据并向下移位样本）时，溢出计数器（OVF_COUNTER）会复位为 0。
FIFO 读指针

FIFO 读指针指向处理器通过 I2C 接口从 FIFO 中读取下一个样本的位置。每从 FIFO 中弹出一个样本，该指针就会递增。处理器读取样本后，也可写入该指针，以便在发生数据通信错误时重新读取 FIFO 中的样本。
FIFO 数据寄存器

循环 FIFO 的深度为 32，最多可存储 32 个样本数据。样本大小取决于配置为激活的 LED 通道数（又称通道数）。每个通道的信号以 3 字节数据形式存储，因此 FIFO 的宽度可为 3 字节或 6 字节。

I2C 寄存器映射中的 FIFO_DATA 寄存器指向即将从 FIFO 中读取的下一个样本，由 FIFO_RD_PTR 指针指向该样本。读取 FIFO_DATA 寄存器不会自动递增 I2C 寄存器地址，突发读取该寄存器时会反复读取同一地址。每个样本每个通道为 3 字节数据（即红光 3 字节、红外光 3 字节等）。

FIFO 相关寄存器（0x04--0x07）均可读写，但实际工作中通常仅需写入 FIFO_RD_PTR 寄存器。其他寄存器由 MAX30102 自动递增或填充数据。开始新的血氧饱和度（SpO₂）或心率（HR）转换时，建议先将 FIFO_WR_PTR、OVF_COUNTER 和 FIFO_RD_PTR 寄存器清零（0x00），以确保 FIFO 为空且处于已知状态。通过 I2C 突发读取事务读取 MAX30102 寄存器时，寄存器地址指针通常会递增，因此下一个发送的数据来自下一个寄存器，以此类推。但 FIFO 数据寄存器（地址 0x07）例外，读取该寄存器时地址指针不会递增，而 FIFO_RD_PTR 指针会递增，因此下一个发送的数据为 FIFO 中的下一个字节数据。
从 FIFO 读取数据

通常，从 I2C 接口读取寄存器时会自动递增寄存器地址指针，因此可通过突发读取一次性读取所有寄存器，无需额外的 I2C 起始事件。但在 MAX30102 中，除 FIFO_DATA 寄存器（地址 0x07）外，其他寄存器均遵循此规则。

读取 FIFO_DATA 寄存器不会自动递增寄存器地址，突发读取该寄存器时会反复读取同一地址的数据。每个样本包含多个字节数据，因此需在同一事务中从该寄存器读取多个字节以获取一个完整样本。

另一个例外是地址 0xFF，读取 0xFF 寄存器后的更多字节时，地址指针不会回滚至 0x00，读取的数据无意义。
FIFO 数据结构

数据 FIFO 包含一个 32 样本存储区，可存储红外光和红光的模数转换器（ADC）数据。每个样本包含两个通道的数据，因此每个样本为 6 字节数据，FIFO 总共可存储 192 字节数据。

FIFO 数据采用左对齐格式（如表 1 所示）；也就是说，无论模数转换器（ADC）分辨率如何设置，最高有效位（MSB）始终位于第 17 位数据位置。FIFO 数据结构的可视化展示如表 2 所示。
FIFO 数据每个通道 3 字节

FIFO 数据采用左对齐格式，即无论模数转换器（ADC）分辨率如何设置，最高有效位（MSB）始终位于同一位置。FIFO_DATA [18]--[23] 未使用。表 2 展示了每组 3 字节数据的结构（包含每个通道的 18 位模数转换器（ADC）数据输出）。

血氧饱和度（SpO₂）模式下，每个数据样本包含两组数据（每组 3 字节）。读取一个样本需通过 I2C 读取每个字节，因此读取血氧饱和度（SpO₂）模式下的一个样本需进行 6 次 I2C 字节读取。读取每个样本的第一个字节后，FIFO 读指针会自动递增。
写 / 读指针

写 / 读指针用于控制 FIFO 中的数据流向。每向 FIFO 中添加一个新样本，写指针就会递增；每从 FIFO 中读取一个样本，读指针就会递增。如需重新读取 FIFO 中的某个样本，可将读指针减 1 后再次读取数据寄存器。

进入血氧饱和度（SpO₂）模式或心率（HR）模式时，应清除 FIFO 写 / 读指针（重置为 0x00），以确保 FIFO 中无旧数据。若 VDD 电源循环或 VDD 降至欠压锁定（UVLO）电压以下，指针会自动清除。

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