MAX30102健康检测传感器：工作原理与性能详解

1.基础资料

MAX30102 是 Maxim Integrated 公司开发的一款高灵敏度光学脉搏血氧传感器。以下是关于 MAX30102 的详细介绍：

1.1.背景介绍

MAX30102 是一款集成了 LED 和光电二极管的心率和血氧监测传感器。它主要被用于可穿戴设备，如智能手表、健身追踪器等，能够实时监测用户的心率和血氧饱和度（SpO2）。

1.2.发展前景

随着健康监测需求的增加，尤其在疫情期间，个人健康监测设备的市场需求急剧上升。MAX30102 作为一款高精度且低功耗的传感器，具有广阔的市场前景。未来，它可能会在更多的医疗设备和个人健康监测产品中得到应用，推动可穿戴健康监测设备的发展。

1.3.应用领域

MAX30102 的主要应用领域包括：

可穿戴设备：如智能手表、健身追踪器等，用于实时监测心率和血氧水平。

医疗设备：便携式血氧仪、心率监测仪等。

运动健康：用于运动员和健身爱好者的心率和血氧监测，以优化训练和恢复。

睡眠监测：用于检测睡眠呼吸暂停等问题。

1.4.工作原理

MAX30102 通过光电容积脉搏波描记法（PPG）来测量心率和血氧饱和度。其工作原理如下：

1. 发射光线：传感器内部的红光和红外光 LED 向皮肤发射光线。
2. 光线吸收和反射：血液中的血红蛋白会吸收部分光线，剩余的光线被反射回传感器。
3. 光电探测：反射回来的光线被光电二极管接收，并转换成电信号。
4. 信号处理：传感器内部的模拟前端（AFE）对电信号进行放大和滤波，得到脉搏波信号。
5. 数据输出：通过 I2C 接口，将处理后的数据传输给主控芯片进行进一步分析和处理。

1.5.基本结构

MAX30102 的基本结构包括：

LED：红光 LED 和红外光 LED，用于发射光线。

光电二极管：用于接收反射回来的光线。

模拟前端（AFE）：用于信号放大和滤波，包括一个 19 位 ADC（模数转换器）。

I2C 接口：用于与外部主控芯片通信，传输测量数据。

集成温度传感器：用于校正温度影响，提高测量精度。

电源管理模块：用于控制传感器的供电，实现低功耗设计。

MAX30102 通过高度集成的设计，实现了紧凑的尺寸和低功耗，非常适合用于可穿戴设备和便携式医疗设备。

2.pin to pin（引脚）

        编写相应的初始化和数据获取代码。以下是基于 C 语言和 wiringPi 库的示例代码，包括初始化、功能自定义、数据获取和数据转换。

2.1.初始化和基本设置

SCL (Pin 2): 连接到 I2C 时钟引脚（例如 Raspberry Pi 的 GPIO 3）。

SDA (Pin 3): 连接到 I2C 数据引脚（例如 Raspberry Pi 的 GPIO 2）。

PGND (Pin 4): 连接到电源地。

VLED+ (Pin 9, 10): 连接到 LED 电源（通常为 3.3V 或 5V）。

VDD (Pin 11): 连接到模拟电源输入（通常为 3.3V）。

GND (Pin 12): 连接到模拟地。

INT (Pin 13): 可以连接到 GPIO 引脚用于中断（可选）。

 2.2.引脚分布图

 2.3.代码示例

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <wiringPiI2C.h>

// MAX30102 I2C 地址
#define MAX30102_ADDRESS 0x57

// MAX30102 寄存器地址
#define REG_INTR_STATUS_1 0x00
#define REG_INTR_STATUS_2 0x01
#define REG_INTR_ENABLE_1 0x02
#define REG_INTR_ENABLE_2 0x03
#define REG_FIFO_WR_PTR 0x04
#define REG_OVF_COUNTER 0x05
#define REG_FIFO_RD_PTR 0x06
#define REG_FIFO_DATA 0x07
#define REG_MODE_CONFIG 0x09
#define REG_SPO2_CONFIG 0x0A
#define REG_LED1_PA 0x0C
#define REG_LED2_PA 0x0D
#define REG_TEMP_INT 0x1F
#define REG_TEMP_FRAC 0x20

int fd;

// 写寄存器函数
void writeRegister(uint8_t reg, uint8_t value) {
    wiringPiI2CWriteReg8(fd, reg, value);
}

// 读寄存器函数
uint8_t readRegister(uint8_t reg) {
    return wiringPiI2CReadReg8(fd, reg);
}

// 初始化 MAX30102
void initMAX30102() {
    // 中断使能
    writeRegister(REG_INTR_ENABLE_1, 0xC0); // A_FULL_EN and PPG_RDY_EN
    writeRegister(REG_INTR_ENABLE_2, 0x00); // ALMOST_FULL_EN and DIE_TEMP_RDY_EN

    // FIFO 配置
    writeRegister(REG_FIFO_WR_PTR, 0x00); // FIFO 写指针
    writeRegister(REG_OVF_COUNTER, 0x00); // 溢出计数器
    writeRegister(REG_FIFO_RD_PTR, 0x00); // FIFO 读指针

    // 模式配置
    writeRegister(REG_MODE_CONFIG, 0x03); // 心率和血氧模式

    // SPO2 配置
    writeRegister(REG_SPO2_CONFIG, 0x27); // SPO2_ADC_RANGE = 4096nA, SPO2_SAMPLE_RATE = 100Hz, LED_PULSE_WIDTH = 411us

    // LED 配置
    writeRegister(REG_LED1_PA, 0x24); // 红光 LED 电流
    writeRegister(REG_LED2_PA, 0x24); // 红外光 LED 电流
}

// 获取 FIFO 数据
void readFIFO(uint32_t* red_led, uint32_t* ir_led) {
    uint8_t data[6];
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        data[i] = readRegister(REG_FIFO_DATA);
    }
    *red_led = ((data[0] << 16) | (data[1] << 8) | data[2]) & 0x03FFFF;
    *ir_led = ((data[3] << 16) | (data[4] << 8) | data[5]) & 0x03FFFF;
}

// 主函数
int main() {
    // 初始化 I2C
    fd = wiringPiI2CSetup(MAX30102_ADDRESS);
    if (fd == -1) {
        printf("Failed to initialize I2C.\n");
        return -1;
    }

    // 初始化 MAX30102
    initMAX30102();

    while (1) {
        uint32_t red_led, ir_led;
        readFIFO(&red_led, &ir_led);
        printf("Red LED: %u, IR LED: %u\n", red_led, ir_led);
        usleep(100000); // 延时 100ms
    }

    return 0;
}

3.原理图和pcb

4.寄存器配置

4.1寄存器详细信息

模式配置寄存器 (0x09)

地址: 0x09

默认值: 0x00

读/写: 读/写 (R/W)

位描述:

Bit 7 (SHDN): 关断控制 (Shutdown Control)

1: 进入省电模式

0: 正常工作模式

Bit 6 (RESET): 重置控制 (Reset Control)

1: 重置所有配置、阈值和数据寄存器到上电状态

0: 正常工作模式

Bits 5-3: 保留

Bits 2-0 (MODE[2:0]): 模式控制 (Mode Control)

000: 禁用

001: 禁用

010: 心率模式 (Heart Rate mode)

011: 血氧模式 (SpO2 mode)

100-110: 保留

111: 多 LED 模式 (Multi-LED mode)

SPO2 配置寄存器 (0x0A)

地址: 0x0A

默认值: 0x00

读/写: 读/写 (R/W)

位描述:

Bits 6-5 (SPO2_ADC_RGE[1:0]): SPO2 ADC 范围控制

00: 2048 nA (7.81 pA 分辨率)

01: 4096 nA (15.63 pA 分辨率)

10: 8192 nA (31.25 pA 分辨率)

11: 16384 nA (62.5 pA 分辨率)

Bits 4-2 (SPO2_SR[2:0]): SPO2 采样率控制

000: 50 SPS

001: 100 SPS

002: 200 SPS

011: 400 SPS

100: 800 SPS

101: 1000 SPS

110: 1600 SPS

111: 3200 SPS

Bits 1-0 (LED_PW[1:0]): LED 脉冲宽度 (LED Pulse Width)

00: 69 µs (18-bit 分辨率)

01: 118 µs (19-bit 分辨率)

10: 215 µs (20-bit 分辨率)

11: 411 µs (21-bit 分辨率)

LED 脉冲幅度寄存器 (0x0C – 0x0D)

地址: 0x0C, 0x0D

默认值: 0x00

读/写: 读/写 (R/W)

位描述:

Bit 7-0 (LEDx_PA[7:0]): LED 电流控制

0x00: 0.0 mA

0x01: 0.2 mA

0x02: 0.4 mA

…

0x0F: 3.0 mA

…

0x1F: 6.2 mA

…

0x3F: 12.6 mA

…

0x7F: 25.4 mA

…

0xFF: 51.0 mA

4.2表格汇总

表 4. 模式控制

MODE[2:0]	模式
000	禁用
001	禁用
010	心率模式
011	血氧模式
100-110	保留
111	多 LED 模式

表 5. SPO2 ADC 范围控制 (18-bit 分辨率)

SPO2_ADC_RGE[1:0]	LSB 大小 (pA)	全量程 (nA)
00	7.81	2048
01	15.63	4096
10	31.25	8192
11	62.5	16384

表 6. SPO2 采样率控制

SPO2_SR[2:0]	样品率 (SPS)
000	50
001	100
010	200
011	400
100	800
101	1000
110	1600
111	3200

表 7. LED 脉冲宽度控制

LED_PW[1:0]	脉冲宽度 (µs)	ADC 分辨率 (bits)
00	69	18
01	118	19
02	215	20
03	411	21

表 8. LED 电流控制

LEDx_PA [7:0]	典型 LED 电流 (mA)
0x00	0.0
0x01	0.2
0x02	0.4
…	…
0x0F	3.0
…	…
0x1F	6.2
…	…
0x3F	12.6
…	…
0x7F	25.4
…	…
0xFF	51.0

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <wiringPiI2C.h>

// MAX30102 I2C 地址
#define MAX30102_ADDRESS 0x57

// MAX30102 寄存器地址
#define REG_INTR_STATUS_1 0x00
#define REG_INTR_STATUS_2 0x01
#define REG_INTR_ENABLE_1 0x02
#define REG_INTR_ENABLE_2 0x03
#define REG_FIFO_WR_PTR 0x04
#define REG_OVF_COUNTER 0x05
#define REG_FIFO_RD_PTR 0x06
#define REG_FIFO_DATA 0x07
#define REG_MODE_CONFIG 0x09
#define REG_SPO2_CONFIG 0x0A
#define REG_LED1_PA 0x0C
#define REG_LED2_PA 0x0D
#define REG_TEMP_INT 0x1F
#define REG_TEMP_FRAC 0x20

int fd;

// 写寄存器函数
void writeRegister(uint8_t reg, uint8_t value) {
    wiringPiI2CWriteReg8(fd, reg, value);
}

// 读寄存器函数
uint8_t readRegister(uint8_t reg) {
    return wiringPiI2CReadReg8(fd, reg);
}

// 初始化 MAX30102
void initMAX30102() {
    // 中断使能
    writeRegister(REG_INTR_ENABLE_1, 0xC0); // A_FULL_EN and PPG_RDY_EN
    writeRegister(REG_INTR_ENABLE_2, 0x00); // ALMOST_FULL_EN and DIE_TEMP_RDY_EN

    // FIFO 配置
    writeRegister(REG_FIFO_WR_PTR, 0x00); // FIFO 写指针
    writeRegister(REG_OVF_COUNTER, 0x00); // 溢出计数器
    writeRegister(REG_FIFO_RD_PTR, 0x00); // FIFO 读指针

    // 模式配置
    writeRegister(REG_MODE_CONFIG, 0x03); // 心率和血氧模式

    // SPO2 配置
    // SPO2_ADC_RGE = 00 (2048 nA), SPO2_SR = 011 (100 Hz), LED_PW = 11 (411 µs)
    writeRegister(REG_SPO2_CONFIG, 0x27);

    // LED 配置
    writeRegister(REG_LED1_PA, 0x24); // 红光 LED 电流
    writeRegister(REG_LED2_PA, 0x24); // 红外光 LED 电流
}

// 获取 FIFO 数据
void readFIFO(uint32_t* red_led, uint32_t* ir_led) {
    uint8_t data[6];
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        data[i] = readRegister(REG_FIFO_DATA);
    }
    *red_led = ((data[0] << 16) | (data[1] << 8) | data[2]) & 0x03FFFF;
    *ir_led = ((data[3] << 16) | (data[4] << 8) | data[5]) & 0x03FFFF;
}

// 主函数
int main() {
    // 初始化 I2C
    fd = wiringPiI2CSetup(MAX30102_ADDRESS);
    if (fd == -1) {
        printf("Failed to initialize I2C.\n");
        return -1;
    }

    // 初始化 MAX30102
    initMAX30102();

    while (1) {
        uint32_t red_led, ir_led;
        readFIFO(&red_led, &ir_led);
        printf("Red LED: %u, IR LED: %u\n", red_led, ir_led);
        usleep(100000); // 延时 100ms
    }

    return 0;
}

作者：小但同学