EM7028

传感器

EM7028 是一款专门用于心率检测和血氧检测 的低功耗传感器芯片，广泛应用于可穿戴设备（如智能手表、手环）和健康监测设备。它可以基于 PPG（光电容积脉搏波）技术，通过发射光线并接收反射信号来计算心率和血氧饱和度（SpO₂）。

工作原理

心率芯片包括发射 LED 和 PD 接收两部分。

芯片工作时，LED 发出的光打到皮肤下并反射回接收端，反射回的光强便包含了脉搏信息，这个光强经过处理后被 ADC 转换为数值，这个值会随着脉搏跳动周期性的变化。

gzyl

工作模式

连续模式

在正常 HRS 模式下，其中一个 LED 亮起，HRS 传感器同时检测环境光与绿色 LED 发出的光。光敏度为 1 勒克斯/计数，全范围内总共有65536 勒克斯;ADC 的典型分辨率为16位，转换时间为 25 毫秒。
在低亮度模式下，选择 8 倍 ADC 增益来接收光线，检测范围为 0.125 亮度到 8192 亮度。

LED 点亮：LED1 或 LED2 持续发光。

光检测：传感器实时接收 反射光线 和 环境光线，并进行测量。

数据处理：通过 ADC 转换，将光线信号转化为数字信号，提供给主控 MCU。

输出数据：数据存储到寄存器（如 HRS_DATA0），主控 MCU 通过 I²C 通信读取数据。

脉冲模式

脉冲模式下的心率传感器在脉冲状态下打开 LED，检测反射光。

LED 脉冲点亮：LED 以一定周期脉冲式点亮，亮起时间较短。

光检测：在 LED 点亮期间，传感器检测光线反射强度。

ADC 转换：将检测到的光信号通过 ADC 转换为数字信号。

数据输出：将数据存储到寄存器，主控 MCU 在需要时读取。

LED 熄灭：在脉冲关闭期间，LED 熄灭，传感器休眠以节省功耗。

通过 EMP7028 的寄存器配置工作模式与相关参数

引脚说明

yjsm

PinNo PinName Type Description
1 SDA I/O (开漏) I²C 数据线：用于 I²C 通信的数据传输，需外接上拉电阻。
2 INT O (开漏) 中断引脚：当传感器有数据或事件触发时，该引脚输出中断信号。
3 LED1 O (开漏) LED 电流驱动引脚 1：可提供高达 200mA 电流，通常用于驱动高功率 LED 光源。
4 LED2 O (开漏) LED 电流驱动引脚 2：可提供高达 12mA 电流，通常用于低功率 LED 光源。
5 LEDA I LED 阳极端：需要连接到 LED 电源 VDD_LED，用于 LED 驱动电路供电。
6 GND — 电源地：所有电压均参考此引脚接地。
7 SCL I (开漏) I²C 时钟线：提供 I²C 通信的时钟信号，需外接上拉电阻。
8 VDD — 电源电压：为芯片提供供电，通常为 3.3V 或符合设备要求的电压。

I2C 时序特性

sstx

fclek：SCL 时钟频率

  • 在 Normal Mode 下，SCL 的最大频率为 100 kHz。

  • 在 Fast Mode 下，SCL 的最大频率可达 400 kHz。

tSUDAT：数据设置时间 (tSUDAT)

  • 主机在时钟信号（SCL）上升沿前，数据线（SDA）上的数据必须保持稳定的最短时间。

tHDDAT：数据保持时间 (tHDDAT)

  • 在时钟信号（SCL）下降沿之后，数据线（SDA）上的数据必须继续保持的时间。

trise：时钟/数据上升时间

  • 上升时间 (trise)：SCL 和 SDA 从低电平到高电平的时间。

tfall：时钟/数据下降时间

  • 下降时间 (tfall)：SCL 和 SDA 从高电平到低电平的时间。

tLOW：SCL 低电平时间

tHIGH：SCL 高电平时间

tBUF：起始状态和停止状态之间的空闲时间

  • tBUF 定义了停止条件与下一次起始条件之间的最小空闲时间。

tHDSTA：起始条件保持时间（重复启动）

  • 起始条件（START）信号的保持时间。

tSUSTA：起始条件设置时间

  • 主机发送起始条件前，数据线 SDA 必须稳定的最短时间。

tSUSTO：停止条件设置时间

  • 主机发送停止条件前，数据线 SDA 必须稳定的最短时间。

tTIMEOUT：低检测时钟/数据超时时间

Cload：每条总线线的电容负载

RBUS：SDA 和 SCL 的上拉电阻

tVD：数据有效时间

tVDACK：数据有效确认时间

  • 定义了数据在传输中的有效性以及接收方发送确认（ACK）时的时序要求。

I2C 状态机

I2Cztj

IDLE

  • 初始状态或空闲状态。
  • 系统处于等待信号或数据的状态。

Address Dec（Address Decode）

  • 解析或解码地址的状态。
  • 设备从总线或数据流中获取地址，并进行地址匹配。

ACK（Acknowledge）

  • 确认状态。
  • 当设备接收到正确的数据或地址后，会发送 ACK 信号（确认响应）。

REV（Receive）

  • 数据接收状态。
  • 系统从通信中接收数据。

TRANS（Transmit）

  • 数据传输状态。
  • 系统将数据传输给通信对方（比如主机或其他设备）。

IDLE → Address Dec

  • 系统从空闲状态进入地址解析状态，可能是因为接收到通信请求（如 Start 信号）。

Address Dec → IDLE

  • 如果地址解析失败，系统返回空闲状态，等待下一次请求。

Address Dec → ACK

  • 当地址成功匹配时，进入 ACK 状态，表示地址有效并响应确认信号。

ACK → REV

  • 系统进入接收数据状态，表示通信对方发送数据过来，系统开始接收。

ACK → TRANS

  • 系统进入数据传输状态，表示系统主动发送数据给对方。

REV → ACK 和 TRANS → ACK

  • 数据传输或接收完成后，系统返回 ACK 状态，进行确认或等待下一步操作。

ACK → IDLE

  • 在某些情况下，数据传输或接收结束，系统返回空闲状态，等待下一次通信。

传输顺序

cssx

从设备地址

The I2C Interface and 7-bit slave address is 0x24.

示例电路

HRS2 脉冲模式的典型应用电路(VDD2.63.6V，VDD PC1.63.6V、VDD LED 2.6~4.5V)

mcsldl

HRS1 连续模式下的典型应用电路

lxmsdl

VDD、VDD_I2C、VDD_LED可以连接在一起，形成VDD3.3V至3.3V的电压。

VDD3.3V应将0.1uF电容器接地。

如果不需要中断模式，INT可以断开。

R0是LED2调节电阻器，R0的典型值为100Ω。

示例代码

波峰检测算法

波峰检测算法，通过传感器采集到的数据推算出心率值。

在心率算法中，通过波峰（即心跳信号的峰值）之间的时间间隔计算心率，常用以下公式：

xlsf

人体正常的心率范围一般在 60 BPM(一分钟 60 次) 到 180 BPM 之间。

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// HRAlgorithm.c

// 定义队列结构
#define QUEUE_SIZE 7

typedef struct {
    int8_t front;
    int8_t rear;
    int8_t size;
    uint32_t data[QUEUE_SIZE];
} Queue;

// 计算 HrList 的平均值，用于平滑处理心率数据，从而减小心率计算中的波动，提高数据稳定性。
uint8_t Hr_Ave_Filter(uint32_t *HrList, uint8_t lenth) {
	uint32_t ave = 0;
	uint8_t i = 0;
	for(i = 0;i<lenth;i++) {
		ave += HrList[i];
	}
	ave /= lenth;
}

/*
present_dat：当前时刻传感器采集到的数据值（光信号强度值）。
present_time：当前时刻的时间戳（单位为毫秒）。
*/
uint16_t HR_Calculate(uint16_t present_dat,uint32_t present_time) {
	
    // peaks_time：保存最近检测到的两个波峰的时间戳。
    // peaks_time[0]：当前检测到的波峰时间。
    // peaks_time[1]：上一个波峰的时间。
	static uint16_t peaks_time[]={0,0};
    // 当前计算得到的心率值。
	static uint8_t HR=0;

    // isQueueFull() 判断队列是否以满
    // dequeue() 从队列中移除旧数据。
	if(isQueueFull(&datas)) {
        dequeue(&datas);
    }
	if(isQueueFull(&times)) {
        dequeue(&times);
    }
	if(isQueueFull(&HR_List)) {
        dequeue(&HR_List);
    }

    // 将新数据加入队列。
	enqueue(&datas,present_dat);
	enqueue(&times,present_time);

	if((datas.data[3]>=datas.data[2]) && (datas.data[3]>=datas.data[1]) && (datas.data[3]>datas.data[0]) 
		&& (datas.data[3]>=datas.data[4]) && (datas.data[3]>=datas.data[5]) && (datas.data[3]>datas.data[6])) {
			if((times.data[3]-peaks_time[0]) > 425) {
					peaks_time[1] = peaks_time[0];
					peaks_time[0] = times.data[3];
					enqueue(&HR_List,60000/(peaks_time[0]-peaks_time[1]));
					if(HR_List.data[6]!=0) {
                        HR = Hr_Ave_Filter(HR_List.data,7);
                    }
			}
	}
	return HR;
}

维护队列：

  • 如果 datas、times 和 HR_List 队列已满，则先移除最早的数据点。
  • 将当前的传感器数据 present_dat 和时间 present_time 加入队列。

波峰检测：

  • 判断 datas.data[3]（第4个数据点）是否为波峰。
  • 判断条件：第4个数据点必须大于前面 3 个和后面 3 个数据点（即满足局部最大值）。
  • 原理：通过比较前后数据点，检测光信号数据中的局部峰值，通常对应于心跳导致的光反射峰。

波峰间隔时间检查：

  • 如果当前检测到的波峰与上一个波峰的时间间隔 times.data[3] - peaks_time[0] > 425（大约 425 毫秒，即心率下限 60/0.425 ≈ 141 BPM），则认为是有效波峰。
  • 更新 peaks_time 数组，保存当前和上一个波峰的时间戳。

心率计算：

  • 使用公式： \text{HR} = \frac{60000}{\text{peaks_time[0]} - \text{peaks_time[1]}} 其中，60000 表示 1 分钟的时间（单位为毫秒）。
  • 将计算得到的心率值存入 HR_List 队列。

心率平滑滤波：

  • 当 HR_List 数据满 7 个心率值时，调用 Hr_Ave_Filter 函数对最近 7 个心率值进行平均滤波，减少抖动，提高稳定性。
  • Hr_Ave_Filter 负责对心率值进行滤波平滑处理，返回最终的平滑心率值。

返回心率：

  • 返回当前平滑处理后的心率值 HR。

算法中的固定阈值 425 毫秒（对应心率上限约为 141 BPM）在高心率场景下存在局限性，无法正确检测心率超过 141 BPM 的波峰。因此，波峰间隔阈值不应设为固定值，而是应根据用户状态动态调整，应当结合陀螺仪数据判断用户当前处于静止、运动或剧烈活动状态，从而设置适合的波峰间隔阈值以提高算法的适应性和准确性。

驱动库

https://github.com/TooUpper/SensorDrive