首先介紹一下Pulse Sensor

PulseSensor 脈搏傳感器介紹

基本參數

供電電壓：	3.3~5V
檢測信號類型：	光反射信號（PPG）
輸出信號類型：	模擬信號
輸出信號大小：	0~VCC
電流大小：	~4ma（5v 下）

功能原理

PulseSensor 是一款用於脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴於手指、耳垂等處，利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量。傳感器對光電信號進行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。單片機通過將採集到的模擬信號值轉換爲數字信號，再通過簡單計算就可以得到心率數值。

PulseSensor 是一款開源硬件，目前國外官網上已有其對應的開源 arduino 程序和上位機 Processing 程序，其適用於心率方面的科學研究和教學演示，也非常適合用於二次開發。網上關於傳感器的 arduino 資料已經十分豐富（畢竟同爲開源硬件），本文采用 STM32F407系列芯片的 ADC 模塊讀取並處理傳感器數據，實現心率測量。

引腳定義

傳感器只有三個引腳，分別爲信號輸出 S 腳、電源正極 VCC 以及電源負極 GND，供電電壓爲 3.3V - 5V，可通過杜邦線與開發板連接。上電後，傳感器會不斷從 S 腳輸出採集到的電壓模擬值。需要注意的是，印有心形的一面纔是與手指接觸面，在測量時要避免接觸佈滿元件的另一面，否則會影響信號準確性。

Cube配置

生成代碼

完善代碼

main.C裏邊完成

1、/* USER CODE BEGIN Includes */和/* USER CODE END Includes */中間添加

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

2、/* USER CODE BEGIN PV */和/* USER CODE END PV */中間添加

/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
//==============心率============================
// these variables are volatile because they are used during the interrupt service routine!
#define true 1
#define false 0
int BPM;                   // used to hold the pulse rate
int Signal;                // holds the incoming raw data
int IBI = 600;             // holds the time between beats, must be seeded! 
unsigned char Pulse = false;     // true when pulse wave is high, false when it's low
unsigned char QS = false;        // becomes true when Arduoino finds a beat.
int rate[10];                    // array to hold last ten IBI values
unsigned long sampleCounter = 0;          // used to determine pulse timing
unsigned long lastBeatTime = 0;           // used to find IBI
int P =512;                      // used to find peak in pulse wave, seeded
int T = 512;                     // used to find trough in pulse wave, seeded
int thresh = 512;                // used to find instant moment of heart beat, seeded
int amp = 100;                   // used to hold amplitude of pulse waveform, seeded
int Num;
unsigned char firstBeat = true;        // used to seed rate array so we startup with reasonable BPM
unsigned char secondBeat = false;      // used to seed rate array so we startup with reasonable BPM
//===============心率完成=========================
/* USER CODE END PV */

3、/* USER CODE BEGIN PFP */和/* USER CODE END PFP */中間添加

/* USER CODE BEGIN PFP */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void sendDataToProcessing(char symbol, int dat );
#ifdef __GNUC__
  /* With GCC/RAISONANCE, small printf (option LD Linker->Libraries->Small printf
     set to 'Yes') calls __io_putchar() */
  #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
  #define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif /* __GNUC__ */
/* USER CODE END PFP */

4、 /* USER CODE BEGIN 2 */和 /* USER CODE END 2 */中間添加

  /* USER CODE BEGIN 2 */
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
  /* USER CODE END 2 */

5、

/* USER CODE BEGIN WHILE */和 /* USER CODE END WHILE */中間添加

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
		sendDataToProcessing('S', Signal);     // send Processing the raw Pulse Sensor data
		if (QS == true)
		{
				sendDataToProcessing('B',BPM);   // send heart rate with a 'B' prefix
				sendDataToProcessing('Q',IBI);   // send time between beats with a 'Q' prefix
				QS = false;                      // reset the Quantified Self flag for next time
		}
		HAL_Delay(20);	//delay for 20ms
  /* USER CODE END WHILE */

  /* USER CODE BEGIN 3 */

  }
  /* USER CODE END 3 */

}

6、

/* USER CODE BEGIN 4 */和/* USER CODE END 4 */中間添加/*

/* USER CODE BEGIN 4 */
PUTCHAR_PROTOTYPE
{
  /* Place your implementation of fputc here */
  /* e.g. write a character to the EVAL_COM1 and Loop until the end of transmission */
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF); 

  return ch;
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	unsigned int runningTotal;
	if(htim->Instance==htim3.Instance)
	{
		Signal=HAL_ADC_GetValue(&hadc1)>>2;					 // read the Pulse Senso
		sampleCounter += 2;                         // keep track of the time in mS with this variable
		Num = sampleCounter - lastBeatTime;       // monitor the time since the last beat to avoid noise
		HAL_ADC_Start(&hadc1);									//restart ADC conversion

		//  find the peak and trough of the pulse wave
  if(Signal < thresh && Num > (IBI/5)*3){       // avoid dichrotic noise by waiting 3/5 of last IBI
    if (Signal < T){                        // T is the trough
      T = Signal;                         // keep track of lowest point in pulse wave 
    }
  }

  if(Signal > thresh && Signal > P){          // thresh condition helps avoid noise
    P = Signal;                             // P is the peak
  }                                        // keep track of highest point in pulse wave

  //  NOW IT'S TIME TO LOOK FOR THE HEART BEAT
  // signal surges up in value every time there is a pulse
  if (Num > 250){                                   // avoid high frequency noise
    if ( (Signal > thresh) && (Pulse == false) && (Num > (IBI/5)*3) ){        
      Pulse = true;                               // set the Pulse flag when we think there is a pulse
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_SET);                // turn on pin 13 LED
      IBI = sampleCounter - lastBeatTime;         // measure time between beats in mS
      lastBeatTime = sampleCounter;               // keep track of time for next pulse

      if(secondBeat){                        // if this is the second beat, if secondBeat == TRUE
        secondBeat = false;                  // clear secondBeat flag
        for(int i=0; i<=9; i++){             // seed the running total to get a realisitic BPM at startup
          rate[i] = IBI;                      
        }
      }

      if(firstBeat){                         // if it's the first time we found a beat, if firstBeat == TRUE
        firstBeat = false;                   // clear firstBeat flag
        secondBeat = true;                   // set the second beat flag
 //       sei();                               // enable interrupts again
        return;                              // IBI value is unreliable so discard it
      }   


      // keep a running total of the last 10 IBI values
      runningTotal = 0;                  // clear the runningTotal variable    

      for(int i=0; i<=8; i++){                // shift data in the rate array
        rate[i] = rate[i+1];                  // and drop the oldest IBI value 
        runningTotal += rate[i];              // add up the 9 oldest IBI values
      }

      rate[9] = IBI;                          // add the latest IBI to the rate array
      runningTotal += rate[9];                // add the latest IBI to runningTotal
      runningTotal /= 10;                     // average the last 10 IBI values 
      BPM = 60000/runningTotal;               // how many beats can fit into a minute? that's BPM!
      QS = true;                              // set Quantified Self flag 
      // QS FLAG IS NOT CLEARED INSIDE THIS ISR
    }                       
  }

  if (Signal < thresh && Pulse == true){   // when the values are going down, the beat is over
     HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_RESET);            // turn off pin 13 LED
    Pulse = false;                         // reset the Pulse flag so we can do it again
    amp = P - T;                           // get amplitude of the pulse wave
    thresh = amp/2 + T;                    // set thresh at 50% of the amplitude
    P = thresh;                            // reset these for next time
    T = thresh;
  }

  if (Num > 2500){                           // if 2.5 seconds go by without a beat
    thresh = 512;                          // set thresh default
    P = 512;                               // set P default
    T = 512;                               // set T default
    lastBeatTime = sampleCounter;          // bring the lastBeatTime up to date        
    firstBeat = true;                      // set these to avoid noise
    secondBeat = false;                    // when we get the heartbeat back
  }

	}
}

void sendDataToProcessing(char symbol, int dat )
{
    putchar(symbol);                // symbol prefix tells Processing what type of data is coming
		printf("%d\r\n",dat);						// the data to send culminating in a carriage return
}
/* USER CODE END 4 */

//順利完成 Pulse Senso傳感器移植在此記錄供以後查看

最後附粘貼一個別人的心率算法

讀取傳感器電壓值 —— STM32 ADC 功能配置

硬件配置

開發板使用的是公司的 M4 板子，傳感器 3.3V 供電，信號採集選用 ADC1 的通道 2，硬件連接如下：

開發板	傳感器
PA2	S
3V3	+
GND	-

把 PA2 用作模擬功能，配置 ADC 爲 12 位分辨率，單次轉換，並設置轉換序列長度爲 1，首次轉換通道 2。爲確保數據準確性，選擇APB2 時鐘 6 分頻作爲 ADC 時鐘（即 84M / 6 = 14M），採樣時間 480 個週期（使得采樣時間更加充分），最後使能 ADC。初始化函數如下：

ADC。初始化函數如下：
/******************** ADC通道2初始化函數 ************************/void ADC_AN2_Init(void){
    /* 設置ADC功能對應的GPIO端口 */
    RCC->AHB1ENR |= 1 << 0;
    GPIOA->MODER &= ~(3 << (2 * 2));
    GPIOA->MODER |= 3 << (2 * 2);
    
    /* 配置ADC採樣模式 */
    RCC->APB2ENR |= 1 << 8;     //使能ADC模塊時鐘    ADC1->CR1 &= ~(3 << 24);    //12位分辨率    ADC1->CR1 &= ~(1 << 8);     //非掃描模式    ADC1->CR2 &= ~(3 << 28);    //禁止外部觸發    ADC1->CR2 &= ~(1 << 11);    //右對齊    ADC1->CR2 &= ~(1 << 1);     //單次轉換    ADC->CCR &= ~(3 << 16);
    ADC->CCR |= 2 << 16;        //6分頻    ADC1->SMPR2 &= ~(0x07 << 6);
    ADC1->SMPR2 |= 0x07 << 6;   //480採樣週期    ADC1->SQR1 &= ~(0x0f << 20); //1次轉換    ADC1->SQR3 &= ~(0x1f << 0);
    ADC1->SQR3 |= 0x02 << 0;     //轉換的通道爲通道2    
    /* 使能ADC */
    ADC1->CR2 |= 1 << 0;          //開啓ADC}

編寫好初始化函數後還需要寫一個進行 AD 轉換的函數，這也是我們功能的核心。思路是通過將十次 AD 轉換值進行冒泡排序，然後掐頭去尾求平均值作爲最後的轉換輸出值，程序如下：

/******************** ADC通道2轉換函數 ************************/u16 Get_ADC_1_CH2(void){
    u8 i,j;
    u16 buff[10] = {0};
    u16 temp;
    
    for(i = 0; i < 10; i ++)
    {
        /* 開始轉換 */
        ADC1->CR2 |= 1 << 30;
		
        /* 等待轉換結束 */
        while( !(ADC1->SR & (1 << 1)) )
        {
            /* 等待轉換接收 */
        }
        buff[i] = ADC1->DR;    //讀取轉換結果    }
    
    /* 把讀取值的數據按從小到大的排列 */
    for(i = 0; i < 9; i++)
    {
        for(j = 0 ; j < 9-i; j++)
        {
            if(buff[j] > buff[j+1])
            {
                temp = buff[j];
                buff[j] = buff[j+1];
                buff[j+1] = temp;
            }
        }
    }
    
    /* 求平均值 */
    temp = 0;
    for(i = 1; i < 9; i++)
    {
        temp += buff[i];
    }
    
    return temp/8;}

串口打印，驗證數據讀取

是驢是馬得拉出來溜溜，配好的 ADC 能不能用也要經過檢驗。方法是把從傳感器讀到的轉換值在串口打印，以此測試 ADC 轉換是否工作正常。爲了模擬波形的效果，編寫如下波形打印函數 —— 將讀出來的數據縮小適當倍數後，用同一行的星號數量來表示。

void Print_Wave(void){
    int temp, i;
    
    temp = Get_ADC_1_CH2() / 20;   // 縮小一個倍數    
    for (i = 0; i < temp; i++)
        printf("*");
    
    printf ("\r\n");}

在主函數的 while (1) 循環中不斷調用 Print_Wave() 函數在串口打印輸出，每次打印延時一段時間，代碼如下：

int main(void){
    Usrat_1_Init(84,115200,0);
    Timer_6_Init();
    ADC_AN2_Init();
    
    while(1)
    {
        Print_Wave();
        Timer_6_Delay_ms(5);  // 延時 5 ms    }}

把開發板連接電腦，下載程序後打開串口工具接收數據，通過對傳感器測量面綠光的遮擋，可在串口看到用字符打印的波形，波峯波谷清晰可見，並不懂波動，證明 ADC 讀取到了傳感器輸出的模擬電壓信號。效果如下圖：

計算心率值 —— 採樣數據處理算法

心率指的是一分鐘內的心跳次數，得到心率最笨的方法就是計時一分鐘後數有多少次脈搏。但這樣的話每次測心率都要等上個一分鐘纔有一次結果，效率極低。另外一種方法是，測量相鄰兩次脈搏的時間間隔，再用一分鐘除以這個間隔得出心率。這樣的好處是可以實時計算脈搏，效率高。由此引出了 IBI 和 BPM 兩個值的概念：

IBI：相鄰兩次脈搏的時間間隔（單位：ms） BPM(beats per minute)：心率，一分鐘內的心跳次數

且：BPM = 60 / IBI

從網上找來的 arduino 開源算法複雜的一匹，看了一遍感覺一頭霧水（反正我暫時沒看懂）。由上面的分析可以得出，我們的最終目的就是要求出 IBI 的值，並通過 IBI 計算出實時心率。既然知道原理了那就自己來把算法實現吧。

核心操作 —— 識別一個脈搏信號

無論是採用計數法還是計時法，只有能識別出一個脈搏，才能數出一分鐘內脈搏數或者計算兩個相鄰脈搏之間的時間間隔。那怎麼從採集的電壓波形數據判斷是不是一個有效的脈搏呢？

顯然，可以通過檢測波峯來識別脈搏。最簡單粗暴的方法是設定一個閾值，當讀取到的信號值大於此閾值時便認爲檢測一個脈搏。似乎用一個 if 語句就輕輕鬆鬆解決。但，事情真的有那麼簡單麼？

其實這裏存在兩個問題。

問題一：閾值的選取

作爲判斷的參考標尺，閾值該選多大？10？100？還是1000？我們不得而知，因爲波形的電壓範圍是不確定的，振幅有大有小並且會改變，根本不能用一個寫死的值去判斷。就像下面這張圖一樣：

可以看出，兩個形狀相同波形的檢測結果截然不同 —— 同樣是波峯，在不同振幅的波形中與閾值比較的結果存在差異。實際情況正是如此：傳感器輸出波形的振幅是在不斷隨機變化的，想用一個固定的值去判定波峯是不現實的。

既然固定閾值的方法不可取，那自然想到改變閾值 —— 根據信號振幅調整閾值，以適應不同信號的波峯檢測。通過對一個週期內的信號多次採樣，得出信號的最高與最低電壓值，由此算出閾值，再用這個閾值對採集的電壓值進行判定，考慮是否爲波峯。也就是說電壓信號的處理分兩步，首先動態計算出參考閾值，然後用用閾值對信號判定、識別一個波峯。

問題二：特徵點識別

上面得出的是一段有效波形，而計算 IBI 只需要一個點。需要從一段有效信號上選取一個點，這裏暫且把它稱爲特徵點，這個特徵點代表了一個有效脈搏，只要能識別到這個特徵點，就能在一個脈搏到來時觸發任何動作。

通過記錄相鄰兩個特徵點的時間並求差值，計算 IBI 便水到渠成。那這個特徵點應該取在哪個位置呢，從官網算法說明可以看出，官方開源 arduino 代碼的 v1.1 版本是選取信號上升到振幅的一半作爲特徵點，我們可以捕獲這個特徵點作爲一個有效脈搏的標誌，然後計算 IBI。

算法整體框架與代碼實現

分析得出算法的整體框架如下：

緩存一個波形週期內的多次採樣值，求出最大最小值，計算出振幅中間值作爲信號判定閾值
通過把當前採樣值和上一採樣值與閾值作比較，尋找到「信號上升到振幅中間位置」的特徵點，記錄當前時間
尋找下一個特徵點並記錄時間，算出兩個點的時間差值，即相鄰兩次脈搏的時間間隔 IBI
由 IBI 計算心率值 BPM

代碼如下，程序中使用一個 50 長度的數組進行採樣數據緩存，在主函數 while (1) 中以 20ms 的週期不斷執行採樣、數據處理，其中的條件語句 if (PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE) 就表示找到了特徵點、識別出一次有效脈搏，串口輸出心率計算結果。

int main(void){
    Usrat_1_Init(84,115200,0);
    Timer_6_Init();
    ADC_AN2_Init();
    
    while(1)
    {
        //Print_Wave();        
        preReadData = readData;	        // 保存前一次值        readData = Get_ADC_1_CH2();		// 讀取AD轉換值        
        if ((readData - preReadData) < filter)    // 濾除突變噪聲信號干擾            data[index++] = readData;	// 填充緩存數組
        if (index >= BUFF_SIZE)
        {	
            index = 0;	// 數組填滿，從頭再填		
            // 通過緩存數組獲取脈衝信號的波峯、波谷值，並計算中間值作爲判定參考閾值            max = Get_Array_Max(data, BUFF_SIZE);
            min = Get_Array_Min(data, BUFF_SIZE);
            mid = (max + min)/2;
            filter = (max - min) / 2;
        }
        
        PRE_PULSE = PULSE;	// 保存當前脈衝狀態        PULSE = (readData > mid) ? TRUE : FALSE;  // 採樣值大於中間值爲有效脈衝        
        if (PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE)  // 尋找到「信號上升到振幅中間位置」的特徵點，檢測到一次有效脈搏        {	
            pulseCount++;
            pulseCount %= 2;	 
            
            if(pulseCount == 1) // 兩次脈搏的第一次            {                         	
                firstTimeCount = timeCount;   // 記錄第一次脈搏時間            }
            if(pulseCount == 0)  // 兩次脈搏的第二次			{                             			
                secondTimeCount = timeCount;  // 記錄第二次脈搏時間                timeCount = 0;	

                if ( (secondTimeCount > firstTimeCount))
                {
                    IBI = (secondTimeCount - firstTimeCount) * SAMPLE_PERIOD;	// 計算相鄰兩次脈搏的時間，得到 IBI                    BPM = 60000 / IBI;  // 通過 IBI 得到心率值 BPM                    
                    if (BPM > 200)    //限制BPM最高顯示值                        BPM = 200;	 				
                    if (BPM < 30)    //限制BPM最低顯示值                        BPM=30;
                }
            
            }
            
            printf("SIG = %d IBI = %d, BMP = %d\r\n\r\n", readData, IBI, BPM);  // 串口打印調試
//          printf("B%d\r\n", BPM);  // 上位機B數據發送
//          printf("Q%d\r\n", IBI);  // 上位機Q數據發送        }
		
        SIG = readData - 1500;  // 脈象圖數值向下偏移，調整上位機圖像        
        //      printf("S%d\r\n", SIG);  // 上位機S數據發送
        timeCount++;  // 時間計數累加        Timer_6_Delay_ms(SAMPLE_PERIOD);  // 延時再進行下一週期採樣    }}

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