基于STM32单片机的血氧心率监测系统设计方案

在当今快速发展的医疗健康领域，便携式、实时监测设备的需求日益增长。血氧饱和度（SpO2）和心率（Pulse Rate）是反映人体生理状况的关键指标，对疾病的早期预警、康复监测以及日常健康管理具有重要意义。传统的血氧心率监测设备多为医院专用，体积较大，操作复杂。因此，设计一款基于STM32单片机的便携式、高精度、低功耗的血氧心率监测系统，不仅能满足个人及家庭健康监测的需求，也能为远程医疗和智慧养老提供技术支撑。本设计方案将详细阐述系统的整体架构、核心硬件选型、软件设计思路以及关键技术实现，旨在构建一个稳定可靠、性能优异的血氧心率监测平台。

本系统以意法半导体（STMicroelectronics）的STM32系列微控制器为核心，利用其强大的处理能力、丰富的外设接口以及低功耗特性，实现对血氧和心率信号的精确采集、处理、分析与显示。系统将采用光电透射法原理测量血氧和心率，该方法无创、操作简便，广泛应用于各类脉搏血氧仪。通过精心选择传感器、模拟前端电路、电源管理模块以及显示和通信模块，确保系统在测量精度、功耗控制和用户体验之间达到最佳平衡。

1. 系统总体架构设计

基于STM32单片机的血氧心率监测系统主要由以下几个功能模块组成：信号采集模块、模拟前端处理模块、微控制器核心处理模块、电源管理模块、显示模块、数据存储模块和通信模块。这些模块协同工作，共同完成血氧和心率数据的采集、处理、显示和传输。

信号采集模块是系统的“眼睛”，负责获取人体脉搏波信号。它通常由红光LED、红外光LED以及光电探测器组成。红光（约660nm）和红外光（约940nm）是测量血氧的关键波长，因为含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对这两种波长的吸收率差异较大。光电探测器则用于接收穿透人体组织后的光信号。

模拟前端处理模块是连接传感器和微控制器的桥梁。由于光电探测器输出的信号通常非常微弱且易受噪声干扰，因此需要经过一系列的放大、滤波、模数转换（ADC）等处理，将其转换为微控制器可以识别的数字信号。这个模块的性能直接关系到整个系统的测量精度和抗干扰能力。

微控制器核心处理模块是系统的“大脑”，负责协调和控制各个模块的工作。它接收来自模拟前端的数字信号，执行复杂的算法（如脉搏波拟合、血氧饱和度计算、心率计算等），并控制显示模块显示结果，同时通过通信模块将数据发送至外部设备。STM32系列微控制器以其高性能、低功耗和丰富的外设，成为理想的选择。

电源管理模块为系统各部分提供稳定可靠的电源。由于是便携式设备，电池供电是首选，因此电源管理模块需要具备高效的升降压、充电管理以及低功耗设计能力，以延长设备续航时间。

显示模块负责直观地向用户展示测量结果，包括血氧饱和度百分比、心率数值、脉搏波形等。常见的显示屏有OLED或TFT LCD，它们具有功耗低、对比度高、显示清晰等优点。

数据存储模块（可选）用于存储历史测量数据，方便用户回顾健康趋势。这可以通过微控制器内部的Flash存储器或外部的EEPROM/NAND Flash实现。

通信模块用于实现系统与外部设备的连接，如智能手机、PC或其他物联网平台。常见的通信方式包括蓝牙（Bluetooth Low Energy, BLE）、Wi-Fi或USB，BLE因其低功耗特性而广受欢迎。

2. 核心元器件选型与作用分析

在血氧心率监测系统中，元器件的选择直接影响到系统的性能、功耗、成本和可靠性。以下详细阐述各个关键元器件的选型及其在系统中的作用和选择理由。

2.1 微控制器（MCU）

优选元器件型号：STM32L476RG

器件作用： 作为整个系统的中央处理器，负责采集信号、执行信号处理算法（如FIR/IIR滤波、FFT变换等）、血氧饱和度（SpO2）和心率（Pulse Rate）的计算、驱动显示屏、管理电源以及进行数据通信等。它协调并控制所有外设和功能模块，是系统的核心。

为什么选择这颗元器件：

• 低功耗特性： STM32L4系列是ST公司专为低功耗应用设计的微控制器，拥有多种低功耗模式（如停止模式、待机模式、关断模式等），非常适合电池供电的便携式医疗设备。在血氧心率监测系统中，低功耗是延长续航时间的关键指标。STM32L476RG在运行模式下的功耗表现优异，同时支持快速唤醒，能在不使用时进入超低功耗状态，最大程度地节省电量。

• 高性能处理能力： 搭载ARM Cortex-M4F内核，主频高达80MHz，并集成了浮点运算单元（FPU），能够高效处理复杂的数字信号处理算法，如FIR/IIR滤波、快速傅里叶变换（FFT）以及血氧饱和度计算所需的矩阵运算等。这确保了测量结果的实时性和准确性。

• 丰富的外设接口： STM32L476RG集成了多个高性能ADC（12位，最高5Msps）、多个DAC、SPI、I2C、USART、USB FS等丰富的外设接口。这些接口能方便地连接光电传感器（通过ADC）、显示屏（通过SPI/FSMC）、蓝牙模块（通过USART）以及用于调试或数据传输的USB接口，极大地简化了硬件设计。

• 大容量存储器： 拥有1MB Flash和128KB SRAM，足以存储复杂的固件程序、算法代码、历史数据以及运行时变量。大容量的SRAM对于处理实时信号数据尤其重要，可以避免频繁访问外部存储器，提高系统响应速度。

• 内置DAC： 内置的12位DAC可以用于产生驱动LED的模拟电压，或者在某些高级应用中用于自校准或测试。

• 易于开发： STM32生态系统成熟，拥有丰富的开发工具（STM32CubeMX、Keil MDK、IAR EWARM等）、大量的应用笔记和活跃的社区支持，能够大大缩短开发周期。

元器件的功能：

• A/D转换控制： 控制内置的高精度ADC对模拟前端处理后的血氧光信号进行数字化，将其转换为微控制器可处理的数字信号。

• 数字信号处理： 运行各种数字滤波算法（如带通滤波、陷波滤波）去除噪声，对脉搏波形进行平滑处理，提取有效的AC/DC分量。

• 血氧饱和度与心率计算： 根据朗伯-比尔定律的经验公式，结合红光和红外光的吸收比率，计算血氧饱和度。同时，通过分析脉搏波形的周期或峰值检测来计算心率。

• 人机交互与显示驱动： 控制OLED/LCD显示屏显示测量结果（SpO2值、心率值、脉搏波形图等），并响应用户按键操作。

• 数据通信： 通过UART接口与蓝牙模块通信，实现数据上传至手机APP；或通过USB接口与PC进行数据传输和系统升级。

• 电源管理与模式切换： 根据系统运行状态，切换不同的功耗模式，最大限度地节省电量。

• 系统状态监控： 监控电池电量、传感器连接状态等，并进行相应的错误处理或提示。

2.2 光电传感器

优选元器件型号：MAX30102 或 MAX30101

器件作用： 作为系统的核心传感器，MAX30102是一款集成式脉搏血氧和心率传感器模块，其内部集成了红光LED、红外光LED、光电探测器、以及一个低噪声模拟前端和19位ADC。它能够直接输出经过预处理的数字信号，大大简化了外围电路设计。

为什么选择这颗元器件：

• 高度集成： MAX30102将LED、PD、模拟前端、ADC、以及I2C通信接口集成在一个小尺寸封装中，极大地简化了硬件设计，减少了PCB面积和BOM成本，并降低了噪声干扰。这对于小型化、便携式设备至关重要。

• 高精度与高信噪比： 内部的19位ADC提供了极高分辨率的信号采集能力，结合其优化的模拟前端设计，能够有效抑制环境光干扰，提供高信噪比的脉搏波形数据，从而保证血氧和心率测量的准确性。

• 低功耗： 该芯片专为可穿戴设备设计，具有超低功耗特性，在休眠模式下功耗极低，有助于延长电池寿命。在测量模式下，它也能够通过可编程的LED电流和采样率来优化功耗。

• 易于编程： 通过标准的I2C接口与微控制器通信，读取原始ADC数据，编程控制其工作模式、LED电流、采样率、脉冲宽度等参数非常方便。

• 环境光抑制： 内部集成了环境光抑制电路，能够有效减少阳光或室内照明对测量结果的影响，提高测量稳定性。

元器件的功能：

• 光发射： 通过内置的红光LED（约660nm）和红外光LED（约940nm）轮流发射光信号穿透人体组织。

• 光接收与转换： 内置的光电探测器接收穿透人体组织后的光信号，并将其转换为电流信号。

• 模拟信号调理： 将光电探测器产生的微弱电流信号进行放大、滤波，去除噪声。

• 模数转换： 将调理后的模拟信号转换为高精度的数字信号（19位ADC）。

• 温度传感器： 内置温度传感器可以用于温度补偿，进一步提高测量精度。

• I2C通信： 提供标准的I2C接口，方便微控制器读取传感器数据和配置其工作参数。

2.3 模拟前端调理（若不使用集成式传感器）

如果选择分立式的LED和光电探测器，则需要独立的模拟前端电路。

优选元器件型号：

• 跨阻放大器（TIA）： OPA2376A（双通道，超低噪声CMOS运算放大器）或TLV2372（双通道，低功耗轨到轨输出运算放大器）

• 仪表放大器： AD8232（集成式心率监测模拟前端，但其主要针对ECG，对于PPG信号放大也需谨慎评估）或INA128/INA333（高精度低功耗仪表放大器）

• 滤波器： 运算放大器（如LM358、MCP6002等）配合电阻电容构建有源滤波器。

器件作用： 将光电探测器输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行多级放大、滤波，以去除噪声和环境光干扰，最终输出适合ADC采集的电压信号。

为什么选择这些元器件（以分立式方案为例）：

• OPA2376A（或TLV2372）作为TIA： 光电二极管输出的是微弱的电流信号，需要一个跨阻放大器将其转换为电压信号。OPA2376A具有超低输入偏置电流、低噪声和宽带宽，能精确地将光电二极管的电流信号转换为电压，且不易引入额外噪声。TLV2372则以其低功耗和轨到轨输出特性，在电池供电系统中表现优异。

• 仪表放大器（可选，用于差分放大）： 如果信号链路中有差分信号，或者需要高共模抑制比，则可使用仪表放大器。INA128/INA333具有高精度、低漂移、高共模抑制比的特点，能有效放大差分信号并抑制共模噪声。

• 运算放大器构建滤波器： LM358、MCP6002等通用运放可以灵活地构建多级有源带通滤波器，滤除工频干扰（50/60Hz）和高频噪声，只保留脉搏波形所需的低频（0.5-5Hz）信号。选择低噪声、低输入偏置电流的运放至关重要。

元器件的功能（分立式方案）：

• 电流-电压转换（TIA）： 将光电探测器接收到的光信号（表现为电流）转换为可测量的电压信号。

• 多级放大： 将微弱的电压信号放大到ADC可接受的范围，确保ADC的有效分辨率。

• 有源滤波： 构建带通滤波器，滤除直流分量（如环境光引起的直流偏置）、高频噪声和工频干扰，提取纯净的脉搏波交流分量。

• DC偏置调整： 调整信号的直流偏置，使其位于ADC的输入范围内，避免饱和或欠载。

2.4 显示模块

优选元器件型号：0.96英寸OLED显示屏（SSD1306驱动）或1.8英寸TFT LCD（ST7735驱动）

器件作用： 直观地显示血氧饱和度百分比、心率数值、脉搏波形图、电池电量等信息，提供人机交互界面。

为什么选择这些元器件：

• OLED（SSD1306）：

• 自发光： 不需要背光，因此功耗极低，尤其适合电池供电的便携设备。

• 高对比度、宽视角： 图像显示清晰锐利，即使在弱光环境下也能提供良好的视觉效果。

• 小尺寸、轻薄： 便于集成到紧凑的设备中。

• 简单驱动： 通常通过SPI或I2C接口与微控制器通信，驱动库成熟且易于使用。

• TFT LCD（ST7735）：

• 彩色显示： 可以显示更丰富的色彩和更复杂的图形界面，用户体验更好。

• 相对较大尺寸： 1.8英寸或更大尺寸的TFT LCD可以显示更多的信息，如完整的脉搏波形图和历史数据。

• 驱动成熟： ST7735等控制器芯片在业界广泛应用，有大量的开源驱动库和示例代码。

• 选择考量： 如果追求极致低功耗和小尺寸，OLED是优选；如果对显示内容丰富度、色彩有更高要求，且功耗预算允许，则TFT LCD是更好的选择。本设计倾向于OLED，以体现便携和低功耗优势。

元器件的功能：

• 图形显示： 绘制血氧饱和度百分比（如SpO2: 98%）、心率数值（如HR: 75 BPM）、脉搏波形图以及其他系统状态信息（如电池图标、蓝牙连接状态）。

• 字符显示： 显示各种文本信息和提示。

• 用户界面： 结合按键实现简单的菜单导航和模式切换。

2.5 电源管理模块

优选元器件型号：

• 充电管理IC： TP4056（单节锂电池充电管理）或BQ24072（集成式充电和系统电源管理，更复杂）

• LDO稳压器： AMS1117-3.3（将5V或电池电压稳压至3.3V）或MP2315（高效降压DC-DC转换器，如果电源电压较高且需要更高效率）

• 锂电池： 3.7V聚合物锂电池（如500mAh-1000mAh，根据设备尺寸和续航需求选择）

器件作用： 为整个系统提供稳定、纯净的电源，管理电池充电和放电，并实现高效的电源转换以延长电池续航。

为什么选择这些元器件：

• TP4056（充电管理IC）： TP4056是一款完整的单节锂离子电池充电管理芯片，体积小巧，充电电流可调，具有过压、过流、短路、过温保护功能，性价比高，非常适合小型便携设备。它能确保锂电池安全高效充电。

• AMS1117-3.3（LDO）： 在功耗不大的情况下，LDO（低压差线性稳压器）如AMS1117-3.3能够提供纹波小、噪声低的3.3V稳定电源，为MCU、传感器和数字电路供电。虽然效率不如DC-DC，但在小电流应用和对噪声敏感的场合仍有优势。

• MP2315（DC-DC降压转换器，若需要高效率）： 如果系统整体功耗较高，或者电池电压与系统工作电压差异较大，则选择MP2315这类高效的开关降压转换器更为合适。它能将较高的电池电压高效转换为3.3V，减少能量损耗，显著延长电池续航时间。

• 聚合物锂电池： 相比圆柱形锂电池，聚合物锂电池形状更灵活，能量密度高，自放电率低，安全性好，是便携式设备的理想选择。

元器件的功能：

• 电池充电： 实现对锂电池的安全充电管理，包括恒流/恒压充电模式、过充/过放保护。

• 电压转换与稳压： 将电池电压（或外部USB供电电压）转换为系统所需的稳定工作电压（如3.3V），为MCU、传感器、显示屏等供电。

• 低功耗管理： 通过DC-DC转换器实现高效的电压转换，减少能量损耗。

• 电源开关与保护： 可能包含独立的电源开关电路，以及过流、短路保护机制，确保系统和电池安全。

2.6 通信模块

优选元器件型号：蓝牙BLE模块（如CC2541、NRF52832）

器件作用： 实现系统与智能手机APP之间的无线数据通信，将血氧和心率数据上传至手机进行显示、存储、分析和分享。

为什么选择这些元器件：

• 低功耗： 蓝牙低功耗（BLE）是专为物联网设备设计的低功耗无线通信技术，非常适合电池供电的医疗设备。CC2541和NRF52832都是业界领先的BLE芯片，在功耗控制方面表现出色。

• 广泛兼容性： BLE已成为智能手机和各种智能设备的标准配置，兼容性好，方便用户连接。

• 数据传输稳定： 在短距离内（通常10米以内），BLE提供稳定可靠的数据传输。

• 模块化易用： 通常以模块形式提供，内部已集成天线、晶振等，只需通过UART或SPI接口与MCU连接，降低了RF设计难度。NRF52系列甚至可以作为主控MCU使用，进一步简化系统。

元器件的功能：

• 无线数据传输： 建立与手机APP的BLE连接，实时传输血氧、心率数据和脉搏波形数据。

• 低功耗广播： 在空闲时进入低功耗模式，并在需要时快速建立连接。

• 固件空中升级（OTA）： 部分模块支持OTA功能，方便系统固件的远程升级。

2.7 其他辅助元器件

• 晶振： 为MCU和某些外设提供精确的时钟源。通常MCU需要外部高速晶振（HSE，如8MHz或25MHz），用于系统主频，和外部低速晶振（LSE，32.768KHz）用于实时时钟（RTC）和低功耗模式。选择高稳定性、小封装的晶振。

• 复位芯片： 如MCP100系列，提供精确的复位信号，防止MCU在电源不稳时误操作。

• 按键： 用于人机交互，如开关机、模式切换、菜单选择等。通常是轻触按键，配合MCU的GPIO和中断功能。

• LED指示灯： 用于指示系统状态，如电源、充电状态、蓝牙连接状态、测量进行中等。

• 电容、电阻、电感： 用于滤波、分压、限流、匹配等，是电路中不可或缺的基础元器件。选择符合封装要求、精度要求和温度系数要求的通用电阻电容。电感主要用于DC-DC转换器和电源滤波。

• ESD保护器件： 在USB接口、按键输入等易受静电影响的端口，需要TVS管等ESD保护器件，提高系统抗静电能力和可靠性。

3. 硬件电路设计与原理分析

本章节将对核心硬件模块的电路设计原理进行深入分析。

3.1 信号采集电路

信号采集部分是整个血氧心率监测系统最关键的一环，其设计质量直接决定了测量数据的准确性和可靠性。本方案选择MAX30102作为集成式光电传感器，极大地简化了硬件设计。

MAX30102内部集成了红光LED和红外光LED，以及一个高灵敏度的光电探测器。LED通过可编程的电流驱动，向被测组织（如指尖）发射光。光电探测器接收穿透组织后的光信号。由于含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对红光和红外光的吸收率不同，且这种吸收率随心脏的搏动而周期性变化（脉搏波），通过检测不同波长光的透射强度变化，可以计算血氧饱和度。

电路连接：MAX30102与STM32L476RG之间通过I2C总线进行通信。

• SDA (MAX30102) → SDA (STM32L476RG)

• SCL (MAX30102) → SCL (STM32L476RG)

• INT (MAX30102) → GPIO (STM32L476RG，配置为外部中断)

• VCC (MAX30102) → 1.8V/3.3V (稳压电源)

• GND (MAX30102) → GND

INT引脚用于产生中断信号，通知MCU有新数据或发生特定事件，减少MCU轮询，降低功耗。MAX30102内部的电源管理IC可以从3.3V或5V供电，并生成芯片内部所需的更低电压（如1.8V）。重要的是，其内部的模数转换器（ADC）是高分辨率（19位）的，能够捕获微弱的脉搏波信号。LED的驱动电流和脉冲宽度是可编程的，可以通过I2C接口进行配置，以便优化信噪比和功耗。

如果采用分立式方案，则光电二极管（PD）将连接到一个跨阻放大器（TIA）的输入端。TIA将PD产生的微弱电流信号转换为电压信号。例如，OPA2376A的负输入端连接PD的阴极，正输入端接地，反馈电阻连接在输出端和负输入端之间。反馈电阻的选择决定了跨阻增益。接着，TIA的输出信号会经过多级有源滤波器，滤除直流分量、高频噪声和工频干扰（50/60Hz），只保留0.5Hz~5Hz左右的脉搏波交流成分。这些滤波器通常由运放（如LM358或MCP6002）、电阻和电容构成，形成有源二阶或三阶巴特沃斯带通滤波器，以确保足够的滤波效果和信号完整性。最后，滤波后的信号进入STM32的ADC引脚进行模数转换。

3.2 微控制器核心电路

STM32L476RG作为核心处理器，其外围电路主要包括电源、时钟、复位和调试接口。

电源： STM32L476RG需要稳定的3.3V电源供电。这3.3V电源通常由电源管理模块中的LDO或DC-DC转换器提供。在STM32的电源引脚VCC和GND之间，需要放置多个0.1uF和10uF的去耦电容，靠近芯片放置，以滤除高频噪声，确保电源的稳定性。

时钟： STM32L476RG支持内部RC振荡器和外部晶体振荡器。为保证系统精度和稳定性，通常会使用外部高速晶振（HSE，如8MHz或16MHz）作为系统主时钟源，通过PLL倍频到80MHz。同时，为了实现精确的实时时钟（RTC）功能和低功耗模式下的计时，会引入一个32.768KHz的外部低速晶振（LSE）。晶振的两端分别接两个10pF-22pF的匹配电容到地。

复位： STM32L476RG具有内置复位电路，但为了提高系统可靠性，通常会外加一个复位按键，通过一个RC网络或专用的复位芯片（如MCP100系列）来产生可靠的复位信号，连接到MCU的NRST引脚。

调试接口： STM32支持SWD（Serial Wire Debug）接口进行在线调试和程序下载。通常需要SWCLK、SWDIO、VCC、GND这四个引脚连接到SWD调试器（如ST-Link/V2），便于开发和固件烧录。

3.3 电源管理电路

电源管理是便携设备续航的关键。本方案以单节锂电池供电为例。

充电电路： 采用TP4056充电芯片。其典型应用电路非常简单，只需少量外围元件。

• USB 5V电源通过一个二极管（防止反向电流）或直接连接到TP4056的VIN引脚。

• 锂电池连接到BAT引脚。

• PROG引脚通过一个电阻连接到GND，该电阻决定了充电电流（如1.2K欧姆电阻设定充电电流为1A）。

• STAT引脚可以连接LED指示充电状态（如充电中亮、充电完成灭）。

• OUT引脚输出电池电压，直接或通过保护电路为后续电路供电。

• 同时，通常会加入锂电池保护板（内含DW01A或FS312等保护IC），提供过充、过放、过流、短路保护，确保电池安全。

稳压电路：

• 方案一（LDO）： 若系统整体功耗较低，直接使用AMS1117-3.3等LDO将锂电池电压（3.7V~4.2V）稳压至3.3V供MCU及其他数字电路使用。输入输出各接一个10uF和0.1uF的电容进行滤波。LDO的优点是输出纹波小、噪声低，缺点是效率相对较低，在输入输出压差大或电流大时发热量较大。

• 方案二（DC-DC）： 若系统整体功耗较高，或需要更长的续航时间，可使用MP2315等高效的DC-DC降压转换器。MP2315典型应用电路包含输入电容、肖特基二极管、电感、输出电容和反馈电阻网络。它能将锂电池电压高效转换为3.3V，效率可达90%以上，显著降低发热量并延长续航。

3.4 显示电路

OLED显示屏（SSD1306驱动）：通常OLED模块采用SPI或I2C接口。如果选择SPI接口，则需要连接：

• VCC → 3.3V

• GND → GND

• SCL (Clock) → STM32 SPI_SCK

• SDA (Data) → STM32 SPI_MOSI

• RES (Reset) → STM32 GPIO

• DC (Data/Command) → STM32 GPIO

• CS (Chip Select) → STM32 GPIO (若为独立CS)

SPI接口具有传输速度快、占用引脚少（若共享总线）的优点，适合实时显示脉搏波形。软件驱动时，需要初始化SSD1306控制器，然后通过SPI发送命令和数据来控制显示内容。

3.5 通信电路（蓝牙BLE）

以NRF52832蓝牙模块为例，通常通过UART接口与STM32进行通信。

• VCC → 3.3V

• GND → GND

• TX (NRF52) → RX (STM32 UART)

• RX (NRF52) → TX (STM32 UART)

• RST (NRF52) → STM32 GPIO (可选，用于复位蓝牙模块)

在STM32上配置一个UART外设，设置波特率、数据位、停止位、校验位等参数，与蓝牙模块的配置保持一致。通过UART发送AT指令或特定的蓝牙协议命令来控制蓝牙模块的工作模式（如广播、连接、数据传输），并接收来自模块的数据。

4. 软件系统设计

软件是血氧心率监测系统的“灵魂”，负责实现数据采集、信号处理、算法计算、人机交互和数据通信等核心功能。基于STM32的软件开发通常采用C语言，结合HAL库或LL库进行底层驱动开发。

4.1 软件架构

本系统软件可采用分层模块化的设计思想，主要包括：

• 硬件抽象层（HAL/LL）： 负责底层硬件的初始化和驱动，如GPIO、ADC、I2C、UART、SPI等，提供统一的API接口。

• 设备驱动层： 封装特定外设的驱动，如MAX30102驱动、OLED驱动、蓝牙模块驱动等。这一层将复杂的硬件操作抽象为简单的函数调用。

• 数据采集与预处理层： 负责从传感器驱动层获取原始数据，进行初步的去噪和滤波。

• 信号处理与算法层： 实现血氧饱和度、心率计算的核心算法，包括脉搏波特征提取、血氧比率计算等。

• 人机交互层： 处理按键输入、控制OLED显示界面更新。

• 通信管理层： 管理蓝牙通信协议栈，负责数据的封装和发送，以及接收来自外部设备（如手机APP）的命令。

• 应用层： 调用各功能模块的API，实现系统的业务逻辑，如启动测量、显示结果、上传数据、系统状态管理等。

• 操作系统层（可选，RTOS）： 对于更复杂的系统，可以引入RTOS（如FreeRTOS），实现任务的并发管理、资源调度、通信同步等，提高系统的实时性和可维护性。对于本设计，简单的裸机循环或事件驱动机制可能也足够，但RTOS能提供更强的扩展性。

4.2 核心算法实现

4.2.1 脉搏波信号采集与预处理

从MAX30102采集到的原始数据是经过19位ADC转换的红光和红外光强度值。这些值通常包含直流分量（由组织、骨骼、静脉血等引起）和交流分量（由动脉搏动引起）。

• 数据采集： 通过I2C读取MAX30102的FIFO缓冲区，获取连续的红光和红外光原始数据。

• 直流分量去除： 采用高通滤波器（如一阶或二阶IIR高通滤波器）去除信号中的直流分量和低频漂移，只保留交流脉搏波成分。或者简单地使用移动平均法计算直流基线，然后从原始信号中减去基线。

• 低通滤波： 采用低通滤波器（如FIR或IIR低通滤波器）去除高频噪声，如工频干扰（50/60Hz）和环境光噪声。对于血氧脉搏波信号，其频率通常在0.5Hz到5Hz之间。

4.2.2 心率（Pulse Rate）计算

心率计算通常基于脉搏波形的周期性。

• 峰谷检测： 对经过滤波的脉搏波AC信号进行峰值检测。通过设定阈值和最小间隔时间来识别有效的脉搏波峰。

• 周期计算： 计算连续两个波峰之间的时间间隔（或数据点间隔）。

• 心率计算：心率（BPM） = 60 / 脉搏周期（秒） 或者 心率（BPM） = 采样率 / 脉搏周期（样本数） * 60 为了提高准确性，通常会取多个周期进行平均，或者采用自相关分析、FFT等更高级的算法来提取主频。

4.2.3 血氧饱和度（SpO2）计算

血氧饱和度的计算基于朗伯-比尔定律的经验公式和红光/红外光的吸收比率。

• AC/DC分量提取： 对红光和红外光的原始信号，分别提取其交流（AC）分量和直流（DC）分量。AC分量代表血液搏动引起的吸收变化，DC分量代表组织、静脉血等引起的基线吸收。

• DC分量： 可以通过移动平均滤波或低通滤波获取。

• AC分量： 从原始信号中减去DC分量，或者通过高通滤波直接获取。

• R值计算： R值是红光和红外光交流分量与直流分量比率的比率，是血氧饱和度计算的关键参数。R=(ACIR/DCIR)(ACRed/DCRed)其中，ACRed 和 ACIR 分别是红光和红外光的交流分量峰谷值或峰峰值。DCRed 和 DCIR 分别是红光和红外光的直流分量。

• SpO2查表或拟合： 理论上，R值与血氧饱和度之间存在非线性关系。在实际应用中，通常通过临床校准数据建立一个查表（Lookup Table）或多项式拟合曲线。MCU根据计算出的R值，通过查表或拟合公式，得出对应的SpO2值。SpO2=A×R2+B×R+C （多项式拟合示例） 其中A、B、C为经验系数，通过大量实验数据拟合得到。

关键考虑：

• 运动伪影抑制： 运动会导致脉搏波形严重失真，影响测量精度。可以采用自适应滤波、小波变换或基于加速度计（可选）的运动状态检测等方法进行伪影抑制。

• 环境光抑制： 虽然MAX30102有内置的环境光抑制，但软件层面也可以通过数字滤波进一步增强。

• 平均与稳定性： 为了提高测量结果的稳定性，通常会对连续几秒的测量结果进行平均，并进行平滑处理。

4.3 人机交互与显示驱动

• 按键处理： 配置STM32的GPIO为输入模式，并开启外部中断。当按键按下时触发中断，在中断服务函数中读取按键状态并进行消抖处理。根据按键的短按、长按等操作，实现不同的功能（如开关机、模式切换、屏幕亮度调节等）。

• OLED显示驱动：

• 初始化： 通过SPI/I2C发送命令初始化SSD1306控制器，设置显示模式、对比度、亮度等。

• 图形库： 开发一套简单的图形库，包括点、线、矩形、字符（ASCII、GB2312/UTF8）、数字等绘制函数。

• 刷新机制： OLED显示通常采用帧缓冲机制。MCU将要显示的内容先绘制到内存中的一个缓冲区（帧缓冲），然后一次性将整个缓冲区的数据通过SPI/I2C发送到OLED模块，刷新屏幕。为了节省RAM，可以只刷新局部区域。

• 实时波形显示： 实时绘制脉搏波形图需要高速的刷新率，可以通过滚动显示或者部分区域更新来优化性能。

4.4 通信模块驱动

• UART配置： 初始化STM32的UART外设，设置正确的波特率、数据位、停止位和校验位，与蓝牙模块保持一致。

• 蓝牙协议封装： 蓝牙模块通常通过AT指令集进行控制和数据透传。软件需要实现对AT指令的发送和响应解析。对于数据透传，将血氧和心率数据按照蓝牙GATT（Generic Attribute Profile）服务和特性进行封装，比如定义一个Health Thermometer Service或自定义服务，包含SpO2 Characteristic和Heart Rate Characteristic。

• 数据发送： 将计算出的SpO2和心率数据通过UART发送给蓝牙模块，由蓝牙模块广播或发送给已连接的手机APP。

• 数据接收： 接收来自手机APP的命令，如请求历史数据、设置参数等。

5. 系统功能与性能指标

本系统设计旨在实现以下主要功能和性能指标：

5.1 主要功能

• 实时血氧饱和度（SpO2）测量： 测量范围70%~100%，误差在±2%以内。

• 实时心率（Pulse Rate）测量： 测量范围30 BPM~250 BPM，误差在±2 BPM以内。

• 脉搏波形显示： 在OLED屏幕上实时显示脉搏波形图，直观反映脉搏搏动情况。

• 电池电量显示： 实时显示电池剩余电量，并具备低电量提醒功能。

• 按键操作： 实现设备的开/关机、测量启动/停止、屏幕亮度调节等基本操作。

• 蓝牙数据上传： 通过蓝牙BLE将测量数据无线上传至配套的手机APP，实现数据存储、历史趋势查看、报告生成等。

• 自动关机： 在一定时间无操作后自动关机，节省电量。

5.2 性能指标

• 测量精度：

• SpO2： ±2% （在70%~100%范围内）

• 心率： ±2 BPM

• 响应速度： 首次测量结果在10秒内显示。

• 功耗：

• 工作模式： 典型功耗应控制在数十毫瓦量级，以实现数小时至数十小时的连续工作时间。

• 待机模式： 功耗应控制在微瓦量级，以实现数周甚至数月的待机时间。

• 便携性： 尺寸小巧，方便携带。

• 可靠性： 硬件电路稳定，软件算法鲁棒，能有效抵抗外界干扰。

• 易用性： 操作简单，用户界面友好。

6. 系统测试与调试

系统开发完成后，需要进行严格的测试与调试，以验证其功能和性能是否达到设计要求。

6.1 硬件调试

• 电源模块测试： 检查各路稳压输出电压是否稳定、纹波是否符合要求。测试电池充电功能、充电电流、充满指示以及过充/过放保护。

• MCU最小系统测试： 确认MCU的时钟、复位电路正常工作，能通过SWD接口正常下载和调试程序。

• 传感器接口测试： 使用逻辑分析仪或示波器检查I2C通信波形是否正常。读取MAX30102的设备ID，确认传感器能正常响应。

• 模拟前端测试（若分立式）： 使用信号发生器输入模拟信号，观察各级放大器和滤波器的输出波形是否符合预期，增益和截止频率是否正确。检查ADC采集到的原始数据是否有效。

• 显示模块测试： 编写简单的测试程序，驱动OLED/LCD显示字符和图形，确认显示正常。

• 通信模块测试： 编写程序与蓝牙模块进行AT指令交互，测试蓝牙广播、连接和数据传输功能。

6.2 软件调试与性能验证

• 数据采集与预处理：

• 通过串口打印或调试工具，实时查看MCU从MAX30102读取到的原始红光/红外光数据。

• 观察经过软件滤波后的脉搏波形数据，确认噪声是否有效去除，波形是否平滑。

• 测试不同环境光下（如室内、室外、阳光下）的测量稳定性。

• 心率算法验证：

• 使用标准脉搏模拟器或在多名志愿者身上进行测试，与医用级心率计进行对比，评估心率测量的准确性。

• 测试在运动状态下（如轻微晃动）心率测量的稳定性。

• 血氧算法验证：

• 这是最关键的测试环节。理想情况下，需要与经过国家计量认证的标准脉搏血氧仪进行对比。

• 在不同血氧饱和度状态下（如通过呼吸训练模拟低血氧状态，但需在专业人员指导下进行，确保安全），采集数据并与标准设备对比，评估SpO2测量的准确性和重复性。

• 验证不同肤色、不同手指厚度对测量结果的影响，并考虑在算法中进行补偿。

• 系统功耗测试：

• 使用高精度电流表测量系统在不同工作模式（测量、待机、蓝牙连接等）下的电流消耗，计算电池续航时间。

• 优化软件代码，如合理使用低功耗模式、关闭不用的外设、降低采样率等，以进一步降低功耗。

• 用户体验测试：

• 测试按键响应、显示界面切换是否流畅。

• 蓝牙连接速度和稳定性。

• 设备携带是否舒适，操作是否简便。

7. 展望与扩展

本设计方案提供了一个基于STM32的血氧心率监测系统的基本框架。在此基础上，未来可以进行以下扩展和优化：

• 多参数监测： 集成体温、血压、呼吸频率等其他生理参数传感器，实现多参数综合健康监测。

• 数据云平台： 将数据上传至云端服务器，实现远程健康管理、数据可视化和智能预警。

• AI健康分析： 结合人工智能算法，对长期数据进行分析，提供个性化健康建议，甚至早期疾病风险预测。

• 运动状态识别与补偿： 引入加速度计或陀螺仪传感器，识别用户运动状态，并对脉搏波信号进行更有效的运动伪影补偿，提高运动时的测量精度。

• 增强用户体验： 引入触控屏、语音交互等更高级的人机交互方式。

• 医疗认证： 为实现医疗级应用，系统需要满足严格的医疗器械标准（如ISO 80601-2-61、GB 9706.261等），并进行临床验证和注册。

总结

基于STM32单片机的血氧心率监测系统，通过选用高性能、低功耗的核心元器件，结合精密的硬件电路设计和高效的软件算法实现，能够构建一个稳定、准确、便携的健康监测平台。从MAX30102的集成式传感器到STM32L4系列微控制器的强大处理能力，再到低功耗的电源管理和蓝牙通信，每一个环节的精心选择都旨在提升系统的整体性能和用户体验。虽然本方案提供了详细的概述，但在实际开发中，仍需投入大量精力进行细致的电路布线、软件代码优化、严格的测试和校准，以确保产品的可靠性和市场竞争力。随着可穿戴医疗设备市场的不断发展，此类系统将发挥越来越重要的作用，为人们的健康管理带来便利。