Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung · LED + Photodiode + ADC...
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Physik und Sensorik
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Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung
MAX30101 von Maxim Integrated
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High-Sensitivity Pulse Oximeter (SpO2) andHeart-Rate (HR) Sensor for Wearable Health
Quelle: Maxim Integrated, Datenblatt zu MAX30101, 19-8453; Rev 0; 3/16 https://www.maximintegrated.com/en/products/analog/sensors-and-sensor-interface/MAX30101.html
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High-Sensitivity Pulse Oximeter (SpO2) andHeart-Rate (HR) Sensor for Wearable Health
MAX30101 – Chip-Foto
Rote LED660 nm
Grüne LED537 nm
IR LED880 nm
Photodiode
Application SpecificIntegrated CirtuitASIC
5.6mm x 3.3mm x 1.55mm 14-Pin Optical ModuleDeckglas
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Wesentliche EigenschaftenGepulste, sequentielle Ansteuerung von bis zu drei LEDs
Gründe, Rote, IR-LED auf dem Chip oder extern
Unterschiedliche Kombinationen G-R-IR
Photodiode und Vorverstärker mit hohem Dynamik-Bereich
18 Bit ADC
Subtraktion des Hintergrundlichts
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High-Sensitivity Pulse Oximeter andHeart-Rate Sensor for Wearable Health
0 V
5 V
InterruptI²C
externeLEDs
LED 0 V„power“ GND
= Not Connected
1.8 V
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Funktionsdiagramm
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Spektren der drei internen LEDs
Rot ~ 660 nmGrün ~ 530 nm IR ~ 880 nm
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Starke Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der roten und IR LED Δ𝜆𝜆𝐼𝐼𝐼𝐼
Δ𝑇𝑇 ≈3 nm10 K
Δ𝜆𝜆𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟Δ𝑇𝑇 ≈
1.5 nm10 K
Die Wellenlängenverschiebung der roten LED muss bei SpO2 Bestimmung berücksichtig werden. Eingebauter Temperatursensor mit 1°C Genauigkeit.
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Starke Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der roten und IR LED
Die Temperatur (und damit die Wellenlänge) der roten (und IR) LED hängt auch vom Strom und Zeit-Verhältnis An/Aus („duty cycle“) ab:
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Grüne LED verschiebt Wellenlänge mit Stromstärke
Die Wellenlängenverschiebung der grünen LED muss je nach Anwendung auch berücksichtig werden.
Intensität der grünen LED ist nicht proportional zum Strom („droop“)
Phsikalische Ursache ist die Abschirmung der piezoelektrischen Felder und der „quantum confined Stark effect“
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Niedrige Leistungsaufnahme, optimiert für Wearables, Fitness Tracker,…Pulsraten-Monitor mit Leistungsaufnahme < 1mW realisierbar
Ruhezustand (Shutdown) mit sehr geringer Stromaufnahme von 0.7μA
Spannungsversorgung 1.8 V (1.7 V bis 2.0 V) für Elektronik
Spannungsversorgung 3.1 V bis 5.25 V für LEDs
Vergleich: Knopfzelle CR2320 (23 mm Durchmesser, 2 mm hoch)Spannung 3 V, Kapazität 130 mAh
260 h bei 0.5 mA2 Jahre bei 0.7 µA
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Spannungsversorgung der LEDs
Spannungsversorgung 3.1 V bis 5.25 V für LEDs
Strom: 10 mA bis 50 mA
Kurze Pulse 69 µs bis 411 µs
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Spannungsversorgung der LEDs
Energie eines Photons: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 = ℎ 𝜈𝜈 =ℎ 𝑐𝑐𝜆𝜆
Plancksches Wirkungsquantum ℎ = 6.626 � 10−34 JsLichtgeschwindigkeit 𝑐𝑐 = 3.00 � 108 m
sElementarladung (eines Elektrons) 𝑒𝑒 = 1.6 � 10−19 𝐴𝐴𝐴𝐴
IR-LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐
880 𝑛𝑛𝑛𝑛= 2.26 � 10−19 J = 2.26 � 10−19 VAs = 1.41 eV
Die Energie eines Photons bei 880 nm entspricht der Energie eines Elektrons bei 1.41 V (bezogen auf 0 V).Damit eine LED Photonen mit 880 nm generieren kann, muss die Spannung mindestens 1.41 V (entsprechend der Bandlücke des Halbleiters).
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Spannungsversorgung der LEDs
Energie eines Photons: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 = ℎ 𝜈𝜈 =ℎ 𝑐𝑐𝜆𝜆
IR-LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐
880 𝑛𝑛𝑛𝑛= 2.26 � 10−19 J = 2.26 � 10−19 VAs = 1.41 eV
Rote LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐
660 𝑛𝑛𝑛𝑛 = 3.01 � 10−19 J = 3.01 � 10−19 VAs = 1.88 eV
Grüne LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐
530 𝑛𝑛𝑛𝑛 = 3.75 � 10−19 J = 3.75 � 10−19 VAs = 2.34 eV
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Spannungsversorgung der LEDsSpannungsversorgung 3.1 V bis 5.25 V für LEDs
𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐
880 𝑛𝑛𝑛𝑛= 1.41 eV𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝 =
ℎ 𝑐𝑐660 𝑛𝑛𝑛𝑛
= 1.88 eV𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐
530 𝑛𝑛𝑛𝑛= 2.34 eV
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Spannungsversorgung der LEDs
Zusätzlicher Spannungsabfall an der LED-Ansteuerelektronik Eine Spannungsversorgung von etwa 3 V ist notwendig für Betrieb von
roter und IR LED mindestens 3.5 V für grüne LED
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LED + Photodiode + ADC Charakteristik
ADC Auflösung: 18 Bit (218 = 262144)
Typische Count-Raten mit internen LEDs und weißer Karte zur Rückkopplung in 0 mm bis 20 mm Abstand:
Signal-Rausch-Abstand:IR LED: 89 dBRote LED: 89 dBGrüne LED: 80 dB
Dunkelzählrate: 30 CountsUmgebungslicht: 2 Counts
(100 kLux, Finger auf Detektor)
89 dB = 20 Log10(28.000)80 dB = 20 Log10(10.000)
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Quanteneffizenz der Silizium-Photodiode
Sehr gute Quanteneffizienz für rote und IR LED Besserer Signal-Rausch-Abstand
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LED + Photodiode + ADC CharakteristikRote LED:76700 counts / 28000 = 2.7 countsDunkelzählrate: 30 CountsUmgebungslicht: 2 Counts
89 dB = 20 Log10(28.000)
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LED PulssequenzenDie LEDs werden sequentielle ein-geschalten.ADC Integration während der Einschalt-Zeit der jeweiligen LED.Als Referenz zur Raumlicht-Unterdrückung wird das Signal zwischen den Pulsen verwendet.
Beispiel: SpO2 Bestimmung mit roter und IR LED und 1 kHz Messrate
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LED PulssequenzenADC Integrationszeiten: 69 µs, 118 µs, 215 µs oder 411 µs
Zeiten zwischen den Einschaltflanken der drei LEDs: 427 µs, 525 µs, 720 µs oder 1107 µs
Taktraten: 50 Hz, 100 Hz, … 1000 Hz, 3200 Hz
SpO2 Modus Puls (HR) Modus
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Umgebungslicht Unterdrückung
… hängt von der Frequenz des Umgebungslichts ab.
Licht konstanter Intensität wird optimal unterdrückt.
Umgebungslicht, das mit der Frequenz der LEDs moduliert wird, wird nicht unterdrückt.
Verhalten entspricht einem Bandpass-Filter im Frequenz-Raum.
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Proximity Funktion
Abstands-Sensor / Automatik
IR LED ist eingeschaltet (niedriger Strom)
Wenn Photodioden-Signal eine vorgegebene Schwelle überschreitet, wechselt der Baustein in den SpO2 oder HR Modes (je nach Voreinstellung).
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Externe Beschaltung1.8 V, 5 V Spannungsversorgung, zwei Block-Kondensatoren zur Spannungsstabilisierung, drei Pull-Up-Widerstände.
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Kommunikation über I²C und Register
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www.tu-chemnitz.de/physik/EXSE26Chemnitz ∙ 8. Oktober 2017 ∙ Prof. Dr. Uli Schwarz
Kommunikation über I²C und Register
Schreibzyklus für ein Daten-Byte: Drei Bytes werden gesendet:
1. Adresse des Bausteins (sieben Bit 0b1010111) + R/W-Bit = 02. Adresse des Registers, in das geschrieben werden soll3. Daten Byte, das in das Register geschrieben werden soll
Es können in einem Befehl mehrere Daten-Bytes geschickt werden, die dann in aufeinanderfolgende Register geschrieben werden.
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Kommunikation über I²C und Register
Lesezyklus für ein Daten-Byte: Drei Bytes werden gesendet, eines gelesen:
1. Adresse des Bausteins (sieben Bit 0b1010111) + R/W-Bit = 02. Adresse des Registers, aus dem gelesen werden soll3. Adresse des Bausteins (sieben Bit 0b1010111) + R/W-Bit = 14. Lesen eines Daten Bytes aus dem Register
Es können in einem Befehl mehrere Daten-Bytes gelesen werden, die dann aus aufeinanderfolgende Register gelesen werden.
Schreib-ZyklusLese-Zyklus
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Kommunikation über I²C und RegisterBeispiel LED Puls Amplituden: Register 0x0C bis 0x10
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Kommunikation über I²C und RegisterBeispiel LED Puls Amplituden: Register 0x0C bis 0x10
Definition der Stromstärken
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Kommunikation über I²C und RegisterBeispiel:1. LED 25.4 mA (0x7F)2. LED 25.4 mA (0x7F)3. LED 0 mA (0x00)4. Proximity Mode Strom 0.4 mA (0x02)
Byte-Sequenz zum Schreiben auf den I²C Bus:
0xAE – Adresse Baustein + „write“0x0C – Adresse erstes zu beschreibendes Register0x7F – Strom 1. LED0x7F – Strom 2. LED0x00 – Strom 3. LED0x00 – reserviertes Register – Wert egal0x02 – Strom IR LED im Proximity Modus
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Schreiben einer Reihe von Registern#include <Wire.h> // I2C Bibliothek#define max30101 0xAE // I2C Adresse des Sensors
void setup() {Wire.begin();}
void loop() {Wire.beginTransmission(max30101); // Übertragung an Sensor
// vorbereitenWire.write(0x0C); // Adresse des 1. zu beschreibenden RegistersWire.write(0x7F); // Strom 1. LEDWire.write(0x0F); // Strom 2. LEDWire.write(0x00); // Strom 3. LEDWire.write(0x00); // reserviertes Register – Wert egalWire.write(0x02); // Strom IR LED im Proximity ModusWire.endTransmission(); // Übertragung starten
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Lesen einer Reihe von RegisternBeispiel:
Lesen der drei Register 0x04 bis 0x06
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Lesen einer Reihe von Registern#include <Wire.h> // I2C Bibliothek#define max30101 0xAE // I2C Adresse des Sensors
unsigned int fifo_wr_pt;unsigned int ovf_counter;unsigned int fif_rd_pt;
void loop() {Wire.beginTransmission(max30101); // Übertragung an Sensor
// vorbereitenWire.write(0x04); // Adresse des 1. zu lesenden RegistersWire.endTransmission(); // Übertragung starten
Wire.requestFrom(max30101, 3, true); // 3 Bytes vom Sensor lessen
fifo_wr_pt = Wire.read(); // Bytes in der richtigen Reihenfolgeovf_counter = Wire.read(); // aus Buffer lessen und in Variablenfifo_rd_pt = Wire.read(); // schreiben
}
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
„Ring-Buffer“ für Daten
Ein „Sample“ für 3 LEDs besteht aus drei Kanälen mit jeweils 3 Bytes für die 18 Bit Intensität pro Kanal
Bis zu 32 Samples haben im FIFO Platz
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
„Ring-Buffer“ für Daten
Ein „Sample“ für 2 LEDs besteht aus zwei Kanälen mit jeweils 3 Bytes für die 18 Bit Intensität pro Kanal
![Page 36: Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung · LED + Photodiode + ADC Charakteristik. ADC Auflösung: 18 Bit (2. 18 = 262144) Typische Count-Raten mit internen LEDs](https://reader030.fdocuments.us/reader030/viewer/2022040314/5e11bfd02e232b71c9594a20/html5/thumbnails/36.jpg)
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
…
Ein Sample
Lese-Zeiger
Schreib-Zeiger
Startsituation
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
1 …
Ein Sample
Lese-Zeiger
Schreib-Zeiger
1. Datensatz wird gemessen und in den FIFO geschrieben
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
1 2 …
Ein Sample
Lese-ZeigerSchreib-Zeiger
2. Datensatz wird gemessen und in den FIFO geschrieben
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
1 2 3 4 5 6 7 …
Ein Sample
Lese-ZeigerSchreib-Zeiger
7. Datensatz wird gemessen und in den FIFO geschrieben
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
2 3 4 5 6 7 …
Ein Sample
Lese-ZeigerSchreib-Zeiger
1. Datensatz wird gelesen
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
3 4 5 6 7 …
Ein Sample
Lese-Zeiger
Schreib-Zeiger
2. Datensatz wird gelesen
![Page 42: Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung · LED + Photodiode + ADC Charakteristik. ADC Auflösung: 18 Bit (2. 18 = 262144) Typische Count-Raten mit internen LEDs](https://reader030.fdocuments.us/reader030/viewer/2022040314/5e11bfd02e232b71c9594a20/html5/thumbnails/42.jpg)
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
4 5 6 7 …
Ein Sample
Lese-ZeigerSchreib-Zeiger
3. Datensatz wird gelesen
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Daten in FIFO Register
FIFO: First In First Out
4 5 6 7 …
Ein Sample
Lese-ZeigerSchreib-Zeiger
Lesen und Schreiben erfolgt unabhängig voneinander.Vor dem Lesen muss kontrolliert werden, ob Daten zum Lesen vorhanden sind.Beide Zeiger springen vom Ende zum Anfang des Buffers (Ring-Buffer).Daten müssen gelesen werden, bevor der Buffer voll ist.
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Daten in FIFO Register
Register zum Lesen des FIFO Buffers:
Daten werden aus dem Register FIFO_DATA (0x07) gelesen.Aus diesem Register können mehrere Daten Bytes sequentiell mit einem Read-Befehl gelesen werden, ohne das die Register-Adresse erhöht wird.
Anzahl der Daten, die zum Lesen Bereitstehen errechnet sich aus der Differenz von Schreib- und Lese-Zeiger (in Register 0x04 und 0x06).
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Daten in FIFO Register
Der Baustein kann einen Interrupt auslösen, wenn der FIFO fast voll ist.
FIFO fast voll
Neue Daten
im FIFO
Zu viel Umgebungslicht
PromixmityLevel
erreicht
Temperatur-Messung
fertig
Power-Upfertig
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Evaluation Board
Test-Umgebung für Chips
Vom Hersteller für die Evaluation neuer Sensoren, ICs,…
Oft mit Auswertesoftware, Software-Bibliothek,…
Seminar-Vortrag zum Evaluatons-Board von Lu Song
Seminar-Vortrag zum MAX30101 von Natalia Habermann
Datenblätter auf https://www.tu-chemnitz.de/physik/EXSE/ForPhySe.html
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Sparkfun Libary
//Setup to sense up to 18 inches, max LED brightnessbyte ledBrightness = 0xFF; //Options: 0=Off to 255=50mAbyte sampleAverage = 4; //Options: 1, 2, 4, 8, 16, 32byte ledMode = 2; //Options: 1 = Red only, 2 = Red + IR, 3 = Red + IR + Greenbyte sampleRate = 400; //Options: 50, 100, 200, 400, 800, 1000, 1600, 3200int pulseWidth = 411; //Options: 69, 118, 215, 411int adcRange = 2048; //Options: 2048, 4096, 8192, 16384
//Configure sensor with these settingsparticleSensor.setup(ledBrightness, sampleAverage, ledMode, sampleRate, pulseWidth, adcRange);
Leider gibt es auch schon eine Library dafür:
https://learn.sparkfun.com/tutorials/max30105-particle-and-pulse-ox-sensor-hookup-guide