耳朵是僅次于手指尖，毛細(xì)血管次豐富的地方，相對(duì)于手腕而言，光學(xué)式測(cè)量方案，從耳機(jī)會(huì)更容易到得到高質(zhì)量的PPG信號(hào)，更有利于更高精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)心率與血氧效果的測(cè)試。

本方案是基于原相的PAH8013ES +主控SMT32F411+ Gsensor LIS3DH， 實(shí)現(xiàn)在耳機(jī)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精性實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)心率與血氧的測(cè)試方案，提供從硬件、FW、結(jié)構(gòu)產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用指導(dǎo)。原相PAH8013是針對(duì)耳機(jī)應(yīng)用方向的原相第二代光學(xué)PPG傳感器，相比第一代8003產(chǎn)品，除性能提供外，運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗進(jìn)一步降低，同時(shí)改用IR光源不可見(jiàn)光源測(cè)量PPG信號(hào)，改善第一代產(chǎn)品綠光方式會(huì)從耳朵背面看到綠光閃問(wèn)題。PAH8013除測(cè)量運(yùn)動(dòng)心率外，還可以測(cè)量血氧飽和度。 血氧飽和度（SpO2）是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。PAH8013通過(guò)IR和紅光 兩種光源，通過(guò)檢測(cè)打入皮膚反射回的 IR和紅光的比例，通過(guò)算法算出相關(guān)的血氧值。

STM32F411 是Cortex?-M4內(nèi)核（具有浮點(diǎn)單元）的性能MCU，最高可工作在100 MHz主頻，芯片內(nèi)置高達(dá)256至512KB的Flash存儲(chǔ)器和高達(dá)128KB的SRAM，為算法及后續(xù)的應(yīng)用功能再擴(kuò)展提供充足的空間。另外STM32F411 具有封裝小，出色的低功耗性能，同時(shí)性價(jià)比高，更適用于對(duì)性能體積與價(jià)錢有需求的耳機(jī)產(chǎn)品。

硬件部分

PAH8013ES與STM32F411采用i2c方式的通信接口，并加上中斷狀態(tài)線INT和休眠控制線。其中8013的9腳與10腳接到SMT32F411的PB8和PA11的i2c接口連接腳，采用400HZ速率；8013的13腳中斷信號(hào)INT1與MCU PA10連接，8013的休眠控制線PD與MCU PA12連接，其中INT1用于中斷方式用于接到PPG數(shù)據(jù)；PD腳用于在不使用PAH8013ES時(shí)，通過(guò)MCU接高PD腳讓PAH8013進(jìn)入休眠省電狀態(tài)。

Gsensor Lis3dh采用SPI方式與STM32F411通信接口， Lis3dh的SPI接到STM32F411的PA15、PB4、PB4、PB5 的芯片腳上，通信速率1M，外加中斷通信線INT1和INT2，使用STM32F411的PA8、PA9。

板上的供電系統(tǒng)由一個(gè)3.3V和一個(gè)1.8V的LDO組成，給MCU、Gsensor及PAH8013ES提供所需的電壓，各器件的IO通信電平使用3.3V。

原理圖

主板部分

光學(xué)小板模組部分

PCB layout

軟件接口部分

心率與血氧的算法放在STM32F411上運(yùn)行，STM32F411每200ms從PAH8013讀取40筆PPG數(shù)據(jù)及從LIS3DH讀取約45筆左右 MENS，通過(guò)PPG數(shù)據(jù)與MENS數(shù)據(jù)運(yùn)算出心率與血氧值，而MENS數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)對(duì)運(yùn)動(dòng)作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度補(bǔ)嘗。

在主函數(shù)調(diào)用demo_ppg_dri_HRD_SPO2（）;啟動(dòng)心率與血氧測(cè)試，約8~10秒算出第一個(gè)心率與血氧值，之后約每秒更新一次數(shù)值

心率與血氧的獲取接口如下：

pah8series_get_hr（&hr）;------是獲取心率數(shù)據(jù)的接口，由于算法是算浮點(diǎn)數(shù)，在數(shù)值顯示直接顯示整數(shù)部分

SpO2_GetSpO2（&mySpO2）;---是獲取血氧數(shù)據(jù)的接口，輸出整數(shù)，直接顯示整數(shù)百分比就可

PROTING簡(jiǎn)介

pah8series_config.h文件的修改

1.#define ENABLE_MEMS_ZERO 關(guān)掉

如果系統(tǒng)的Gsensor還沒(méi)有調(diào)好，可以先把此宏打開(kāi)，先測(cè)試靜態(tài)心率。此時(shí)會(huì)送入全0的Gsensor給算法，

注意：Gsensor調(diào)好后，不論靜態(tài)動(dòng)態(tài)，都需送入真實(shí)的Gsensor數(shù)據(jù)

2.設(shè)定Gensor量程，目前用的是-+8G量程，所以設(shè)定#define ALG_GSENSOR_MODE 4

3.根據(jù)所用的芯片型號(hào)，Cover設(shè)計(jì)方式、IO通信方式，打開(kāi)以下宏定義

//-------Sensor IC Type---------//

#define __PAH8013ES

//-------Cover Type---------//

#define _DI_COVER

//-------IO Interface---------//

#define _I2C

main.c修改

1.設(shè)定中斷回調(diào)函數(shù) gpio_in_interrupt_handler（GPIO_IN gpio）

2.送入正確的系統(tǒng)的tick時(shí)間，get_tick_count（）-----單位為ms

pah_hrd_function.c修改

1.啟動(dòng)ppg數(shù)據(jù)采樣時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)Gsensor數(shù)據(jù)采樣，調(diào)用accelerometer_start（）;這樣可確保數(shù)據(jù)同步，

2.接收到的Gsensor數(shù)據(jù)送入指定的下面地方以便算法取得，accelerometer_get_fifo（&_state.pxialg_data.mems_data， &_state.pxialg_data.nf_mems）;

3.進(jìn)入touch mode或離開(kāi)心率模式，停止Gsensor數(shù)據(jù)采樣，調(diào)用accelerometer_stop（）;

關(guān)于同步說(shuō)明，PPG第一筆數(shù)據(jù)要與Gsensor第一筆數(shù)據(jù)時(shí)間上對(duì)齊，這樣算法在插補(bǔ)后，每個(gè)ppg時(shí)間點(diǎn)才能與gsensor時(shí)間點(diǎn)一致，否則可以導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)心率異常。目前是以ppg中斷去接收Gsensor

pah_comm.c

根據(jù)通信方式與STM平臺(tái)接口，補(bǔ)全讀、與及 連讀接口代碼

bool pah_comm_write（uint8_t addr， uint8_t data）

bool pah_comm_read（uint8_t addr， uint8_t *data）

bool pah_comm_burst_read（uint8_t addr， uint8_t *data， uint16_t num）

算法接口簡(jiǎn)介

PXIALG_API uint32_t pah8series_version（void）;---讀取算法版本

PXIALG_API uint32_t pah8series_query_open_size（void）;----確認(rèn)申請(qǐng)?jiān)谙到y(tǒng)上所需開(kāi)內(nèi)存大小

PXIALG_API uint8_t pah8series_open（void *pBuffer）;-----給算法開(kāi)啟pah8series_query_open_size確認(rèn)的內(nèi)存空間

PXIALG_API uint8_t pah8series_close（void）;---算法關(guān)閉

PXIALG_API uint8_t pah8series_reset（void）;---算法重啟

PXIALG_API uint8_t pah8series_set_param（pah8series_param_idx_t idx， float p1）;---算法參考設(shè)定1

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_param（pah8series_param_idx_t idx， float *p1）;;---算法參考設(shè)定2

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_hr（float *hr）;---算法心率接口，0~255

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_hr_trust_level（int *hr_trust_level）;---信號(hào)可信度，0~4，數(shù)值越大，可信度就越高

PXIALG_API uint8_t pah8series_entrance（pah8series_data_t *pah8series_data）;----PPG與Gsensor數(shù)據(jù)傳入接口

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_signal_level（int ch， uint8_t *signal_level）;---信號(hào)分?jǐn)?shù)，0~100，，數(shù)值越大，信號(hào)就越好

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_motion_flag（uint8_t *motion_flag）;---檢查用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，0靜止，1運(yùn)動(dòng)

PXIALG_API uint8_t pah8series_get_wear_index（uint32_t expo_time［3］， uint8_t led_dac［3］， uint8_t checkRaw， int *wear_index）;----判定用戶佩戴松緊度，wear_index為0~3，0表示佩戴好，1~3數(shù)越大，佩戴越差

PXIALG_API int SpO2_GetSpO2（float *spo2）;---算法血氧接口，0~100

PXIALG_API int SpO2_GetReadyFlag（uint8_t *ready_flag）;---血氧算法標(biāo)志

調(diào)試log如下

結(jié)構(gòu)部分

如何保證在耳道有持續(xù)穩(wěn)定的測(cè)量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵的作用。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，能保證適用于各種人群的耳朵，并在運(yùn)動(dòng)中仍保證耳機(jī)與皮膚優(yōu)秀的接觸穩(wěn)定性

Cover設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖：

1.最上方灰色部分rubber軟膠套，增加在佩戴時(shí)的接觸舒適性

2.中間部分黑色為硬塑料模，此部分需要做要雙料射出工藝，以有效在機(jī)構(gòu)內(nèi)部隔離串光問(wèn)題

2.下方灰色為8013光學(xué)模組PCB板，需與中間部分黑色硬塑件緊貼，如漏光會(huì)對(duì)性能有較大影響

光學(xué)鏡片開(kāi)孔尺寸如下

另外由于在運(yùn)動(dòng)中，耳機(jī)有存在持續(xù)震動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，而能否保證sensor Cover與皮膚能有效接觸到，對(duì)PPG信號(hào)有至關(guān)重要，而一個(gè)適合的耳塞套對(duì)保持耳機(jī)在運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性起到重要作用。

由于不同人的耳朵大小結(jié)構(gòu)不同，一般會(huì)建議給用戶至少配置如下3個(gè)尺寸（S、M、L），推存尺寸參考如下

? 場(chǎng)景應(yīng)用圖

? 產(chǎn)品實(shí)體圖

? 方案方塊圖