(SKU:RLSEB312MX)I2C 心率血氧传感器(MAX30102)

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产品简介

美信公司的MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件,以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5.0V用于内部LED的电源,应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测,佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准的I2C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给Arduino、KL25Z等单片机进行心率和血氧计算。此外,该芯片还可通过软件关断模块,待机电流接近为零,实现电源始终维持供电状态。正因为其优异的性能,该芯片被大量应用在了三星Galaxy S7手机。与前代产品MAX30100相比(MAX30100目前已经停产淘汰),MAX30102集成了玻璃盖可以有效排除外界和内部光干扰,拥有最优可靠的性能。

      与Pulse sensor这种传感器相比,MAX30102的有点在于:

1.集成度高:MAX30102将两个发光LED、光电检测二极管、ADC、环境光抑制电路和光学机械外壳都集成在了一起,形成了一个完整模块。这样的优势就是体积小、能耗小、外界干扰小,易于集成系统。 2.数字输出:MAX30102本身自带18位高精度ADC,使用I2C接口与外接MCU通信。而且自身还有FIFO,可以减轻MCU负担,降低功耗。 3.功能丰富:MAX30102集成了LED驱动电路,可以根据不同情况调节LED电流,采样率也可以根据不同应用进行选择。此外还集成了片上温度传感器,可以随时监测片上温度(对血氧饱和度计算有用)。

      正是有以上一些优点,现在的模拟集成前端(AFE)都走向了集成化、小型化、数字化的方向,模拟电路的门槛越来越低了。
      首先看一下MAX30102的结构框图:


图1、MAX30102的结构框图


      MAX30102的发光部分包括两个LED,一个是红光LED(660nm),另一个是红外光LED(880nm),这个是测量血氧饱和度SPO2最常见的配置。接收部分是一个对可见光和红外光都敏感的光电二极管,其接收的光强度信号转换为电流信号,经过环境光消除电路后,最后被自带的18位ADC进行采样转化,至此模拟部分完成。AD转化后的数字经过数字滤波后储存在数据寄存器中,最后可通过I2C总线被外接MCU读取。在硬件上,LED的电源和其他部分的电源不是同一个,因为LED为了保证足够的出射光强,需要瞬间大电流(最大50ma),这就要求LED的正向电压足够大(要求3.1V以上)。而其余的AD转换和I2C总线部分,为了实现低功耗要求电压足够小(要求1.8V),所以传感器需要两路独立的电源。此外,由于LED电源会产生瞬间大电流,所以电源引脚附近要加一个大电容减轻对电源电压的影响。


图2、MAX30102引脚图


      传统的脉搏测量方法主要有三种:一是从心电信号中提取;二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率;三是光电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动,如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一,其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。
      光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成,通过绑带或夹子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)有选择性的特定波长的发光二极管(一般选用660nm附近的红光和900nm附近的红外光)。当光束透过人体外周血管,由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变,此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线,转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号,动脉血管容积也呈现周期性变化,因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。同时根据血氧饱和度的定义,其表示为:

图3、血氧饱和度定义式

图4、不同波长下氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)的吸收

    MAX30102本身集成了完整的发光LED及驱动部分,光感应和AD转换部分,环境光干扰消除及数字滤波部分,只将数字接口留给用户,极大地减轻了用户的设计负担。用户只需要使用单片机通过硬件I2C或者模拟I2C接口来读取MAX30102本身的FIFO,就可以得到转换后的光强度数值,通过编写相应算法就可以得到心率值和血氧饱和度。