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基于ST STM32L151光采集监测心率手表解决方案

来源：

2025-05-28

类别：健康医疗

拍明芯城

基于ST STM32L151光采集监测心率手表解决方案

在智能穿戴设备领域，心率监测功能已成为衡量产品竞争力的重要指标之一。基于光采集技术的心率监测方案，凭借其非侵入性、实时性和高精度特性，被广泛应用于智能手表、健康手环等设备中。本文将围绕ST STM32L151微控制器，详细阐述一套基于光采集技术的心率监测手表解决方案，涵盖核心元器件选型、功能模块设计、电路原理及软件算法优化等方面。

一、核心元器件选型与功能解析

1. 主控芯片：STM32L151RCT6

作用：作为手表的核心控制单元，负责传感器数据采集、算法处理、通信协议实现及用户交互逻辑控制。
选型理由：

超低功耗设计：基于ARM Cortex-M3内核，工作频率32MHz，支持多种低功耗模式（如Stop模式、Standby模式），可显著延长电池续航时间。
高性能计算能力：内置256KB Flash存储器和32KB RAM，满足复杂算法（如PPG信号处理、心率计算）的运行需求。
丰富外设接口：集成I2C、SPI、USART、USB等通信接口，便于与心率传感器、加速度计、蓝牙模块等外设连接。
高可靠性：支持硬件加密、存储器保护单元（MPU）等功能，确保数据安全性和系统稳定性。

功能扩展：

通过I2C接口与心率传感器通信，实时获取PPG信号数据。
利用定时器中断触发ADC采样，实现心率信号的精准采集。
通过蓝牙模块（如ST BlueNRG）将数据传输至手机APP，支持健康数据同步与分析。

2. 心率传感器：ADPD142RG

作用：采用红绿光LED组合，通过光电容积脉搏波（PPG）技术监测心率及血氧饱和度。
选型理由：

高灵敏度与抗干扰能力：集成环境光抑制功能，可有效消除环境光干扰，提升信号质量。
低功耗设计：支持动态功耗管理，适配智能手表的续航需求。
集成度高：内置LED驱动电路、光电探测器及模拟前端（AFE），简化外围电路设计。

功能扩展：

绿色LED（530nm）用于心率监测，红色LED（660nm）用于血氧饱和度检测（可选）。
通过I2C接口与主控芯片通信，传输原始PPG信号或预处理后的心率数据。
支持自适应滤波算法，可动态调整LED驱动电流以优化信号质量。

3. 加速度计：ST LIS3DH

作用：实现计步、运动状态识别及手势控制功能。
选型理由：

超低功耗：工作电流仅6μA（10Hz采样率），适配智能手表的续航需求。
高精度与宽量程：支持±2g/±4g/±8g/±16g量程，分辨率高达14位。
丰富功能：内置自由落体检测、6D方向检测、单击/双击识别等功能，便于实现智能交互。

功能扩展：

通过I2C接口与主控芯片通信，实时上报三轴加速度数据。
结合动态阈值算法实现计步功能，支持步行、跑步等运动模式识别。
通过手势识别算法实现屏幕唤醒、功能切换等交互操作。

4. 蓝牙模块：ST BlueNRG-MS

作用：实现手表与手机APP之间的无线数据传输。
选型理由：

低功耗蓝牙4.0（BLE）协议栈：支持超低功耗数据传输，延长电池续航时间。
高集成度：内置射频前端、基带控制器及协议栈固件，简化开发流程。
兼容性强：支持与主流智能手机（iOS/Android）无缝连接。

功能扩展：

通过SPI接口与主控芯片通信，实现心率、步数、睡眠等数据的实时上传。
支持OTA（Over-The-Air）固件升级功能，便于后续功能扩展。
提供低功耗广播模式，支持快速连接与数据同步。

5. 电源管理芯片：TPS62740

作用：实现高效电源转换与电池管理。
选型理由：

超低静态电流：仅18nA（待机模式），显著降低系统功耗。
高效率转换：支持90%以上的转换效率，延长电池续航时间。
宽输入电压范围：支持1.8V至5.5V输入，适配不同类型电池（如锂聚合物电池）。

功能扩展：

为STM32L151、ADPD142RG等外设提供稳定的工作电压（如3.3V）。
支持电池电压监测功能，实时反馈电量状态至主控芯片。
提供过压保护、过流保护及短路保护功能，确保系统安全性。

6. 显示屏：OLED 0.96英寸（128×64分辨率）

作用：实现时间、心率、步数等数据的可视化显示。
选型理由：

自发光特性：无需背光模块，功耗更低，显示效果更佳。
高对比度与宽视角：支持160°可视角度，便于用户在不同角度查看数据。
低功耗模式：支持部分刷新、全屏刷新等模式，适配智能手表的续航需求。

功能扩展：

通过SPI接口与主控芯片通信，实现动态数据显示。
支持自定义UI界面，提供时间、日期、心率、步数、卡路里等多功能显示。
提供触摸屏扩展接口（可选），支持手势操作与功能切换。

二、硬件电路设计原理

1. 电源管理电路

电池输入：采用锂聚合物电池（3.7V），通过TPS62740转换为3.3V稳定电压，为系统供电。
电源监控：通过STM32L151内置的ADC监测电池电压，实时反馈电量状态至显示屏。
低功耗设计：在待机模式下，关闭非必要外设（如OLED显示屏、蓝牙模块），仅保留RTC（实时时钟）及传感器低功耗模式运行。

2. 心率监测电路

ADPD142RG连接：

绿色LED（D1）通过驱动电路连接至ADPD142RG的LED驱动引脚。
光电探测器（PD1）连接至ADPD142RG的模拟输入引脚，实现PPG信号采集。
I2C接口连接至STM32L151的I2C1总线，实现数据通信。

信号调理：ADPD142RG内置AFE电路，支持环境光抑制、信号放大及滤波功能，无需额外外围电路。

3. 加速度计电路

LIS3DH连接：

通过I2C接口连接至STM32L151的I2C2总线，实现数据通信。
INT1引脚连接至STM32L151的外部中断引脚，支持运动状态中断触发。

功能配置：通过I2C接口配置LIS3DH的量程（如±2g）、采样率（如100Hz）及中断阈值。

4. 蓝牙通信电路

BlueNRG-MS连接：

通过SPI接口连接至STM32L151的SPI1总线，实现数据通信。
RESET引脚连接至STM32L151的GPIO引脚，支持硬件复位。
ANT引脚连接至天线，实现无线信号发射与接收。

低功耗优化：在非通信状态下，将BlueNRG-MS设置为深度睡眠模式，仅保留广播功能。

5. 显示屏驱动电路

OLED连接：

通过SPI接口连接至STM32L151的SPI2总线，实现数据通信。
RES引脚连接至STM32L151的GPIO引脚，支持硬件复位。
DC引脚连接至STM32L151的GPIO引脚，区分命令与数据传输。

显示优化：采用部分刷新模式，仅更新变化区域，降低功耗。

三、软件算法优化与实现

1. PPG信号采集与处理

信号采集：

通过定时器中断触发ADC采样，周期性采集ADPD142RG输出的PPG信号。
采用滑动平均滤波算法，消除高频噪声干扰。

心率计算：

通过峰值检测算法识别PPG信号中的R波峰，计算相邻峰峰值时间间隔（RR间期）。
根据RR间期计算实时心率（BPM），并支持心率异常报警功能。

运动干扰抑制：

结合LIS3DH输出的加速度数据，动态调整PPG信号处理算法参数。
采用自适应滤波算法，消除运动伪影干扰，提升心率监测准确性。

2. 计步算法实现

加速度数据采集：

通过定时器中断触发LIS3DH采样，周期性采集三轴加速度数据。
采用低通滤波算法，消除高频噪声干扰。

步态识别：

通过动态阈值算法识别加速度波峰与波谷，结合时间阈值判断步态周期。
支持步行、跑步等运动模式识别，并自动调整步频计算参数。

步数累计：

将步态识别结果累计至步数变量，并通过OLED显示屏实时更新。
支持历史步数存储功能，便于用户查看每日运动数据。

3. 蓝牙通信协议设计

数据包格式：

定义心率数据包（含BPM、时间戳）、步数数据包（含步数、距离、卡路里）及状态数据包（含电量、连接状态）。
采用固定长度数据包格式，简化解析流程。

通信流程：

手表端作为BLE从机，周期性广播心率、步数等数据。
手机APP作为BLE主机，扫描并连接手表端，实时获取数据。
支持数据订阅功能，手机APP可选择性订阅特定类型数据（如仅心率数据）。

低功耗优化：

在非通信状态下，关闭蓝牙模块的广播功能，仅保留连接保持功能。
采用数据压缩算法，减少传输数据量，降低功耗。

4. 用户交互界面设计

主界面：

显示时间、日期、心率、步数等核心数据。
支持滑动切换至运动模式、睡眠模式等子界面。

运动模式界面：

显示实时步数、距离、卡路里消耗等数据。
支持运动目标设定与完成度提示功能。

睡眠模式界面：

显示睡眠时长、深睡/浅睡比例等数据。
支持睡眠质量评分与改善建议功能。

设置界面：

支持时间设置、单位切换（公里/英里）、心率报警阈值调整等功能。
提供固件升级入口，支持OTA功能。

四、系统测试与验证

1. 功能测试

心率监测准确性：

对比专业心电监测设备（如ECG设备），验证心率监测误差是否在±2BPM以内。
测试不同运动状态（静止、步行、跑步）下的心率监测准确性。

计步准确性：

对比人工计步结果，验证步数计算误差是否在±5%以内。
测试不同步频（慢走、快走、跑步）下的计步准确性。

蓝牙通信稳定性：

测试不同距离（1m、5m、10m）下的数据传输成功率。
验证多设备连接（如同时连接手机与平板）下的通信稳定性。

2. 功耗测试

待机功耗：

测量手表在待机模式下的电流消耗，验证是否低于10μA。

工作功耗：

测量手表在心率监测、计步、蓝牙通信等模式下的电流消耗，验证是否满足续航需求（如7天续航）。

充电效率：

测试无线充电模块的充电效率，验证是否在80%以上。

3. 可靠性测试

高低温测试：

在-20℃至60℃环境下测试手表功能，验证是否出现死机、数据丢失等问题。

振动测试：

模拟用户运动场景（如跑步、跳跃），验证手表结构是否松动、显示屏是否出现坏点。

防水测试：

在IP68防水等级下测试手表功能，验证是否出现进水、短路等问题。

五、总结与展望

本文围绕ST STM32L151微控制器，详细阐述了一套基于光采集技术的心率监测手表解决方案。通过选型高性能、低功耗元器件（如ADPD142RG、LIS3DH、BlueNRG-MS），结合优化的硬件电路设计与软件算法，实现了心率监测、计步、蓝牙通信等核心功能。测试结果表明，该方案在准确性、功耗及可靠性方面均满足智能手表的设计需求。

未来，可进一步优化以下方向：