基于STM32的心率計（一）DMA方式獲取傳感器數(shù)據(jù)

前言

最近利用下班后的時間，使用STM32做了個心率計，從單片機(jī)程序到上位機(jī)開發(fā)，到現(xiàn)在為止完成的差不多了，實現(xiàn)很簡單，STM32開發(fā)板外加一個PulseSensor傳感器就行，這里我選擇的是uFUN開發(fā)板，又開發(fā)了配套的串口上位機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析和顯示，運(yùn)行界面如下：

其實PulseSensor官方已經(jīng)配備的了Processing語言編寫的上位機(jī)軟件，串口協(xié)議的，界面還蠻好看，只要按照它的通信協(xié)議，就可以實現(xiàn)心跳波形和心率的顯示。剛好最近學(xué)習(xí)了Qt，所以就用這個小軟件來練手了。

傳感器介紹

PulseSensor 是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指、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(jìn)行脈搏測量。傳感器對光電信號進(jìn)行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。單片機(jī)通過將采集到的模擬信號值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過簡單計算就可以得到心率數(shù)值。

信號輸出引腳連接到示波器，看一下是什么樣的信號：

可以看出信號隨著心跳起伏變化，周期大概為：1.37/2 = 0.685s。計算出心率值為：600 / 0.685 = 87，我的心率在正常范圍內(nèi)（廢話?。@個傳感器測心率還是可以的。手頭上沒有傳感器的朋友，可以看一下這篇自制心率傳感器的教程：手指檢測心跳設(shè)計——傳感器制作篇，這篇文章介紹的使用一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管，外加放大濾波電路，效果還是挺不錯的。

AD采集電路的分析

大家在使用ADC接口的時候要注意了，線別插錯了。我第一次使用就是測不到電壓值，后來用萬用表量了一下，才發(fā)現(xiàn)是入門指南中引腳功能標(biāo)示錯了，要采集AD電壓，輸入腳應(yīng)該接DCIN這個，對應(yīng)的是PC3-ADC_IN13。如下圖?？赡苁怯捎谠韴D版本的迭代，入門指南沒有來得及更新吧！手動@管理員 更改一下。

從原理圖中可以看出，直流電壓采集電路前級采用雙T陷波濾波器濾除50Hz工頻干擾，后級為運(yùn)放電路：

關(guān)于前級的雙T陷波濾波器S域分析，可以參考這篇文章：雙T陷波器s域計算分析（純手算，工程版?。?/span>

大學(xué)期間學(xué)得信號與系統(tǒng)都忘了，所以這部分計算我沒有看懂。其實了解電路的S域分析，更有利于理解電路的特性，大家還是要掌握好理論基礎(chǔ)。

后面的運(yùn)放電路，還是大概能看懂的，下面來分析一下直流通路，把電容看作斷路：

所有的運(yùn)放電路分析，就記住兩個要點就行了：虛短和虛斷。（感覺又回到了大學(xué)。。。。）

虛短：理解成短路，運(yùn)放處于線性狀態(tài)時，把兩輸入端視為等電位，即運(yùn)放正輸入端和負(fù)輸入端的電壓相等，即U = U-。

虛斷：理解成斷路，運(yùn)放處于線性狀態(tài)時，把兩輸入端視為開路，即流入正負(fù)輸入端的電流為零。

總結(jié)一句話：虛短即U =U-；虛斷即凈輸入電流為0。

好了，有了這兩把利器，我們來看一下這部分電路的分析，直流通路可進(jìn)一步簡化為：

很明顯，可計算出

1. U = 0.5 * VCC = 1.65v

應(yīng)用虛短：

1. U- = U = 1.65v

應(yīng)用虛斷，即沒有電流流入運(yùn)放，根據(jù)串聯(lián)電流相等：

以上三式聯(lián)立，可得：

1. Uo = 3.368 - 1.205*Ui

即：

1. Ui = 3 - 0.83 * Uo

只要得到單片機(jī)采集到的電壓值Uo，就可以反推出實際的傳感器電壓值Ui。

通過使用示波器測量Ui和Uo的波形，近似可以認(rèn)為是反向的，但是明顯可以看出，Uo的峰值比Ui的峰值小一點。

而且通過繪制 Ui=3-0.83*Uo和 Ui=3.3-Uo的曲線，也可以看出，兩條直線幾乎重合，即輸入和輸出近似為反向。

DMA簡介

DMA，即直接存儲器，用來提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無須 CPU任何干預(yù)，通過DMA數(shù)據(jù)可以快速地移動。這就節(jié)省了CPU的資源來做其他操作。STM32共有兩個DMA控制器有12個通道(DMA1有7個通道，DMA2有5個通道)，每個通道專門用來管理來自于一個或多個外設(shè)對存儲器訪問的請求。還有一個仲裁器來協(xié)調(diào)各個DMA請求的優(yōu)先權(quán)。

關(guān)于DMA通道和外設(shè)的對應(yīng)，可以查看STM32參考手冊，心率傳感器使用的PC3-ADC_IN13，對應(yīng)的是DMA1的通道1

STM32 DMA程序配置

獲取ADC通道的電壓值主要有兩種方式，一種是直接使用ADC，然后在需要使用的地方，先啟動AD轉(zhuǎn)換，然后讀取AD值。另一種更好的方式是使用DMA方式，就是先定義一個保存AD值的全局變量，而全局變量是對應(yīng)內(nèi)存中的一個地址的。只要初始時，把DMA和ADC配置好了，DMA會自動把獲取到的AD值，存入這個地址中，我們在需要的時候，直接讀取這個值就可以了。

0.定義一個全局變量

必須是全局變量，用于存放AD值。

1. uint16_t ADC_ConvertedValue;

1.配置GPIO和使能時鐘

使能外設(shè)對應(yīng)的時鐘，注意時鐘總線的不同：

1. RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

2. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

引腳配置成模擬輸入模式：

1. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;

2. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //設(shè)置為模擬輸入

3. GPIO_Init(GPIOC,