内容简介
对于 arduino 来说，网上有大量关于 PulseSensor 脉搏传感器的资料，而其他单片机上的实例的较少。本文使用 STM32F407 系列芯片的 ADC 模块，从硬件配置、简易心率算法编写到官方 Processing 上位机的使用，带你全方位玩转 PulseSensor，玩的，就是心跳！
PulseSensor 脉搏传感器介绍基本参数[td]
功能原理
PulseSensor 是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。将其佩戴于手指、耳垂等处，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。传感器对光电信号进行滤波、放大，最终输出模拟电压值。单片机通过将采集到的模拟信号值转换为数字信号，再通过简单计算就可以得到心率数值。
PulseSensor 是一款开源硬件，目前国外官网上已有其对应的开源 arduino 程序和上位机 Processing 程序，其适用于心率方面的科学研究和教学演示，也非常适合用于二次开发。 网上关于传感器的 arduino 资料已经十分丰富（毕竟同为开源硬件），本文采用 STM32F407系列芯片 的 ADC 模块读取并处理传感器数据，实现心率测量。
引脚定义
传感器只有三个引脚，分别为信号输出 S 脚 、电源正极 VCC 以及电源负极 GND，供电电压为 3.3V - 5V，可通过杜邦线与开发板连接。上电后， 传感器会不断从 S 脚输出采集到的电压模拟值。需要注意的是，印有心形的一面才是与手指接触的一面，布满元件的另一面在测量时要避免接触，否则会影响信号准确性。
读取传感器电压值 —— STM32 ADC 功能配置硬件配置
开发板使用的是公司的 M4 板子，传感器 3.3V 供电，信号采集选用 ADC1 的 通道 2，硬件连接如下：
[td]
把 PA2 用作模拟功能，配置 ADC 为 12 位分辨率，单次转换，并设置转换序列长度为 1，首次转换通道 2。为确保数据准确性，选择APB2 时钟 6 分频作为 ADC 时钟（即 84M / 6 = 14M），采样时间 480 个周期（使得采样时间更加充分），最后使能 ADC。初始化函数如下：
编写好初始化函数后还需要写一个进行 AD 转换的函数，这也是我们功能的核心。思路是通过将十次 AD 转换值进行冒泡排序，然后掐头去尾求平均值作为最后的转换输出值，程序如下：
串口打印，验证数据读取
是驴是马得拉出来溜溜，配好的 ADC 能不能用也要经过检验。我们可以通过串口把从传感器读到的转换值打印来测试 ADC 转换是否工作正常。为了模拟波形的效果，编写如下打印函数 —— 将读出来的数据缩小适当倍数后，用同一行的星号数量来表示。
在主函数的 while (1) 循环中不断调用 Print_Wave() 函数在串口打印输出，每次打印延时一段时间，代码如下：
注：由于本文重点是 ADC，所以不对串口与定时器的具体配置展开说明，有需要请查看源代码相应部分程序。
把开发板连接电脑，下载程序后打开串口工具接收数据，通过对传感器测量面绿光的遮挡，可在串口看到用字符打印的波形，波峰波谷清晰可见，并不懂波动，证明 ADC 读取到了传感器输出的模拟电压信号。效果如下图：
计算心率值 —— 采样数据处理算法
心率指的是一分钟内的心跳次数，得到心率最笨的方法就是计时一分钟后数有多少次脉搏。但这样的话每次测心率都要等上个一分钟才有一次结果，效率极低。另外一种方法是，测量相邻两次脉搏的时间间隔，再用一分钟除以这个间隔得出心率。这样的好处是可以实时计算脉搏，效率高。由此引出了 IBI 和 BPM 两个值的概念：
IBI： 相邻两次脉搏的时间间隔（单位：ms）
BPM(beats per minute)：心率，一分钟内的心跳次数
BPM(beats per minute)：心率，一分钟内的心跳次数
且：BPM = 60 / IBI
从网上找来的 arduino 开源算法复杂的一匹，看了一遍感觉一头雾水（反正我暂时没看懂）。由上面的分析可以得出，我们的最终目的就是要求出 IBI 的值，并通过 IBI 计算出实时心率。既然知道原理了那就自己来把算法实现吧。
核心操作 —— 识别一个脉搏信号
无论是采用计数法还是计时法，只有能识别出一个脉搏，才能数出一分钟内脉搏数或者计算两个相邻脉搏之间的时间间隔。那怎么从采集的电压波形数据判断是不是一个有效的脉搏呢？
很显然可以通过检测波峰来识别脉搏。最简单粗暴的方法是设定一个阈值，当读取到的信号值大于此阈值时便认为检测一个脉搏。似乎用一个 if 语句就轻轻松松解决。但，事情真的有那么简单么？其实这里存在两个问题。
问题一：阈值的选取
作为判断的参考标尺，阈值该选多大？10？100？还是1000？我们不得而知，因为波形的电压范围是不确定的，振幅有大有小并且会改变，根本不能用一个定死的值去判断。就像下面这张图一样：
可以看到，形状相同的波形，用同一个阈值进行波形检测却得出不一样的结果 —— 同样是波峰，在不同振幅的波形中与阈值比较的结果存在差异。更糟糕的是，由于噪声的干扰，传感器输出波形的振幅是在不断随机变化的，想用一个固定的值去判定波峰是不现实的。
既然固定阈值的方法不可取，那自然想到尝试改变阈值 —— 根据信号振幅调整阈值，以适应不同信号的波峰检测。我们可以对一个周期内的信号多次采样，得出信号的最高与最低电压值，算出阈值，再用这个阈值对采集的电压值进行判定，考虑是否为波峰。也就是说电压信号的处理分两步，首先动态计算出参考阈值，然后用用阈值对信号判定、识别一个波峰。
问题二：特征点识别
上面得出的是一段有效波形，而计算 IBI 只需要一个点。就需要从一段有效信号上选取一个点，这里暂且把它称为特征点，这个特征点代表了一个有效脉搏，只要能识别到这个特征点，就能在一个脉搏到来时触发任何动作。
通过记录相邻两个特征点的时间并求差值，计算 IBI 便水到渠成。那这个特征点应该在哪个位置呢，从官网算法说明可以看出，官方开源代码的 v1.1 版本是选取振幅的一半作为特征点，我们可以捕获这个特征点作为一个有效脉搏的标志，然后计算 IBI。
算法整体框架与代码实现
所以算法的整体框架如下：
1.缓存一个波形周期内的多次采样值，求出最大最小值后计算振幅中间值作为信号判定阈值
2.通过把当前采样值和上一采样值与阈值作比较，寻找到「信号上升到振幅中间位置」的特征点，记录当前时间
3.寻找下一个特征点并记录时间，算出两个点的时间差值，即相邻两次脉搏的时间间隔 IBI
4.由 IBI 计算心率 BPM
2.通过把当前采样值和上一采样值与阈值作比较，寻找到「信号上升到振幅中间位置」的特征点，记录当前时间
3.寻找下一个特征点并记录时间，算出两个点的时间差值，即相邻两次脉搏的时间间隔 IBI
4.由 IBI 计算心率 BPM
代码如下，程序中使用一个 50 长度的数组进行采样数据缓存，在主函数 while (1) 中以 20ms 的周期不断采样、数据处理，其中的条件语句 if (PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE) 就表示找到了特征点、识别出一次有效脉搏。
将传感器正面轻按在食指上，通过串口输出心率的计算结果，每检测到一个脉搏就打印 BPM 和相邻两次脉搏的时间间隔 IBI，结果还算稳定（为啥我心率这么高……）。
注意事项：
1. 避免手指触碰传感器背面
2. 传感器与手指之间不要施加过大压力，否则会阻碍血液流动而读不到脉搏信号
3. 传感器与手指之间的接触要保持稳定，按压力度的轻微变化都会影响电压值
2. 传感器与手指之间不要施加过大压力，否则会阻碍血液流动而读不到脉搏信号
3. 传感器与手指之间的接触要保持稳定，按压力度的轻微变化都会影响电压值
使用 Processing 上位机查看心率
PulseSensor 官方提供了 Processing 语言编写的超好看的上位机软件，而且项目在 Github 上开源，通过上位机可以查看实时心率图、心率值 BPM 和 脉搏间隔 IBI，那要如何使用这么好用的软件呢？
修改串口数据发送格式
上位机同样是通过串口接收数据，通过解析串口数据进行心率图绘制、数据图形化显示。要想使用上位机查看心率。单片机串口发送的数据就必须符合上位机的解析格式。具体格式如下：
数据格式均为 ASCII 码，由于数据量较大，采用的波特率为 115200。其中包含三种数据：以「S」为前缀的，表示脉搏数据（脉象图的数值化表示）；以「B」为前缀的，表示 BPM 数值（心率值）；以「Q」为前缀的，表示 IBI 数值（相邻两个心跳之间的时间）。这三种数据通过串口发送给上位机 Processing 软件，就会在窗口中显示出来。S 数据 20ms 发送一次，数据量大；B 和 Q 数据只有在检测到有效脉搏后，在每一次心跳后发送一次，数据量下。如下图：
前面写的程序中串口波特率已经是 115200，采样频率也是所需的 20ms（代码中的宏定义SAMPLE_PERIOD 的值就是 20），我们只需要计算出上位机所需要的 S、B、和 Q 三个数据，并在适当的时机发送到串口即可。其实发送代码上面已经写好，修改代码，把串口打印调试代码换成注释掉的上位机数据发送 printf() 语句，编译程序并下载到开发板。
下载 Processing 上位机软件
进到上位机 Github 项目页面：WorldFamousElectronics/PulseSensor_Amped_Processing_Visualizer: Processing code for pulse wave visualization，点击 Clone or download 按钮下的 Download ZIP 即可下载上位机软件及其源码。
下载 Processing 运行环境、打开上位机
由于上位机是用 Processing 语言编写，不能直接运行，需要通过 Processing 运行环境加载运行。先要从 Processing 官网下载对于版本的运行环境，地址：Download \ Processing.org
打开下载的 Processing 运行环境，点击右上角「文件」菜单的「打开」按钮，选择下载并解压后的上位机程序 PulseSensorAmpd_Processing_150.pde。
运行上位机，显示心率值
点击运行按钮运行软件，即可看到上位机软件界面。把开发板上电连接电脑，在软件中选择对应的 COM 口，随后软件开始接收串口数据并显示。
实测的波形极容易受传感器与手指的接触力度影响，可用透明胶带进行缠绕固定，数据会稳定许多。
总结
其实程序也仅仅是达到「勉强可用」的程度，输出数据偶尔还是会有大波动，代码还有许多可改进的地方（比如将 20ms 的数据采样处理用定时器中断实现）。突然觉得传感器的数据准确只是前提，对数据的处理才是一切应用的核心，不断地调整参数改良算法也是整个过程中最有趣的部分。
这次折腾脉搏传感器让我明白了一件事：为什么我的数学这么渣！！！
keil 工程源码下载：测心率_脉搏传感器 密码 8ut8
参考文章
Pulse Sensor使用说明书V5.0
Pulse Sensor Amped – Arduino Code v1.2 Walkthrough