前言
從3月8号收到闆子，到今天算起來，uFUN到手也有兩周的時間了，最近利用下班後的時間，做了個心率計，從單片機程式到上位機開發，到現在為止完成的差不多了，實作很簡單，uFUN開發闆外加一個PulseSensor傳感器就行，又開發了配套的序列槽上位機，實作資料的解析和顯示，運作界面如下：
其實PulseSensor官方已經配備的了Processing語言編寫的上位機軟體，序列槽協定的，界面還蠻好看，隻要按照它的通信協定，就可以實作心跳波形和心率的顯示。剛好最近學習了Qt，是以就用這個小軟體來練手了。本篇文章是這個小項目的第一篇，介紹一下如何使用DMA方式擷取傳感器的資料，至于後面幾篇文章會寫什麼，歡迎大家保持關注哈！
傳感器介紹
PulseSensor 是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模拟傳感器。将其佩戴于手指、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行脈搏測量。傳感器對光電信号進行濾波、放大，最終輸出模拟電壓值。單片機通過将采集到的模拟信号值轉換為數字信号，再通過簡單計算就可以得到心率數值。
信号輸出引腳連接配接到示波器，看一下是什麼樣的信号：
可以看出信号随着心跳起伏變化，周期大概為：1.37/2 = 0.685s。計算出心率值為：600 / 0.685 = 87，我的心率在正常範圍内（廢話！），這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：手指檢測心跳設計——傳感器制作篇，這篇文章介紹的使用一個紅外發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，線别插錯了。我第一次使用就是測不到電壓值，後來用萬用表量了一下，才發現是
入門指南中引腳功能标示錯了，要采集AD電壓，輸入腳應該接DCIN這個，對應的是PC3-ADC_IN13。如下圖。可能是由于原理圖版本的疊代，入門指南沒有來得及更新吧！手動@管理者 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工頻幹擾，後級為運放電路：
關于前級的雙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！）
大學期間學得信号與系統都忘了，是以這部分計算我沒有看懂。其實了解電路的S域分析，更有利于了解電路的特性，大家還是要掌握好理論基礎。
後面的運放電路，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。。。。）
虛短：了解成短路，運放處于線性狀态時，把兩輸入端視為等電位，即運放正輸入端和負輸入端的電壓相等，即U+ = U-。
虛斷：了解成斷路，運放處于線性狀态時，把兩輸入端視為開路，即流入正負輸入端的電流為零。
總結一句話：
虛短即U+=U-；虛斷即淨輸入電流為0。好了，有了這兩把利器，我們來看一下這部分電路的分析，直流通路可進一步簡化為：
很明顯，可計算出
U+ = 0.5 * VCC = 1.65v
應用虛短：
U- = U+ = 1.65v
應用虛斷，即沒有電流流入運放，根據串聯電流相等：
以上三式聯立，可得：
Uo = 3.368 - 1.205*Ui
即：
Ui = 3 - 0.83 * Uo
隻要得到單片機采集到的電壓值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，用來提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速資料傳輸。無須 CPU任何幹預，通過DMA資料可以快速地移動。這就節省了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對存儲器通路的請求。還有一個仲裁器來協調各個DMA請求的優先權。
關于DMA通道和外設的對應，可以檢視STM32參考手冊，心率傳感器使用的PC3-ADC_IN13，對應的是DMA1的通道1
STM32 DMA程式配置
擷取ADC通道的電壓值主要有兩種方式，一種是直接使用ADC，然後在需要使用的地方，先啟動AD轉換，然後讀取AD值。另一種更好的方式是使用DMA方式，就是先定義一個儲存AD值的全局變量，而全局變量是對應記憶體中的一個位址的。隻要初始時，把DMA和ADC配置好了，DMA會自動把擷取到的AD值，存入這個位址中，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。
uint16_t ADC_ConvertedValue;
1.配置GPIO和使能時鐘
使能外設對應的時鐘，注意時鐘總線的不同：
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
引腳配置成模拟輸入模式：
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //設定為模拟輸入
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
2.配置DMA
配置ADC對應的DAM1通道1：
DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)(&(ADC1->DR)); //設定源位址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)&ADC_ConvertedValue; //設定記憶體位址
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; // 設定傳輸方向
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //循環模式
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //高優先級
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); //使能DMA1通道1
3.配置ADC
由于隻有1個通道，不需要配置成掃描模式：
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE ;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
PC3對應ADC輸入通道13，注意采樣周期不能太短：
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_13, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
4.主程式調用
DMA和ADC配置好之後，隻需要初始化一次。然後就可以随時擷取電壓值了。
int main(void)
{
float Sensor_Voltage;
float Uo_Voltage;
delay_init();
UART1_Config(115200);
ADC1_Init();
while(1)
{
Uo_Voltage = ADC_ConvertedValue * 3.3 / 4096;
Sensor_Voltage = 3.3 - Uo_Voltage; //近似值
// Sensor_Voltage = 3 - 0.83 * Uo_Voltage; //實際傳感器輸出電壓值
ANO_SendFloat(0xA1, Sensor_Voltage);
delay_ms(10);
}
}
為了友善檢視資料的波形，這裡直接使用了匿名上位機來顯示電壓值的波形。
函數實作
//匿名上位機，波形顯示一個浮點型資料ANO_SendFloat(0xA1, ad);
void ANO_SendFloat(int channel, float f_dat)
{
u8 tbuf[8];
int i;
unsigned char* p;
for(i = 0; i <= 7; i++)
tbuf[i] = 0;
p = (unsigned char*)&f_dat;
tbuf[0] = 0x88;
tbuf[1] = channel; //0xA1
tbuf[2] = 4;
tbuf[3] = (unsigned char)(*(p + 3)); //取float類型資料存儲在記憶體中的四個位元組
tbuf[4] = (unsigned char)(*(p + 2));
tbuf[5] = (unsigned char)(*(p + 1));
tbuf[6] = (unsigned char)(*(p + 0));
for(i = 0; i <= 6; i++)
tbuf[7] += tbuf[i]; //校驗和
printf("%s", tbuf);
}
實際的顯示
沒有調試器，如何下載下傳程式呢？可以參考我之前發的一篇文章：【uFUN開發闆評測】如何使用序列槽來給uFUN開發闆下載下傳程式，詳細介紹了如何通過序列槽來給uFUN開發闆下載下傳程式。
匿名上位機的幀格式配置
實際的顯示效果：
總結
傳感器資料的擷取，隻是心率計實作的第一步，傳感器放置位置的不同，波形的振幅也會不同，是以，對獲得資料的處理、分析，才是最關鍵的部分。
資料下載下傳
- STM32工程下載下傳：STM32工程
- STM32參考手冊下載下傳：STM32參考手冊
- 匿名上位機下載下傳： 匿名上位機
參考資料
- PulseSensor官網
- 手指檢測心跳設計——傳感器制作篇
- 玩的就是心跳 —— 使用 PulseSensor 脈搏傳感器測量心率
- 雙T陷波器s域計算分析（純手算，工程版！）
uFUN評測系列文章
- 【UFUN開發闆評測】小巧而不失精緻，簡單而不失内涵——uFun開發闆開箱爆照
- 如何使用序列槽來給STM32下載下傳程式
- STM32序列槽列印輸出亂碼的解決辦法
- Keil報錯：cannot open source input file "core_cmInstr.h" 解決辦法
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