【Funpack第二季第五期】基于乐鑫ESP32-S3-Box-Lite 和EPC001的便携生命体征检测仪原型机

内容介绍

本次完成的项目，是结合乐鑫ESP32-S3-Box-Lite和EPC001开发板，实现的便携生命体征检测仪原型机。

EPC001芯片的资料

通过资料，可以了解到这块EPC001开发板是基于EPC001芯片的多参数生命体征检测开发板，芯片集成了分别用于检测脉搏波信号与心电信号的模拟前端，而且ADC精度为24bits，这是非常之高了。配合官方提供的软件，就可以通过串口获取EPC001采集到的对应数据进行呈现，检测的波形包括脉搏波、血氧波形、心电、肌电、脑电波形，并可以实时更新检测参数如心率、血氧、血压、心律不齐指数等多种参数。

FhqUrLu7aDDIsaBpFOnQ8iM24RTp

在资料包之中，还提供了"EPC001_Program_HClock_高速时钟"、"EPC001_Program_HClock_低速时钟"的源码，也提供了开发工具，但烧录要使用ARM-USB-TINY-H调试器。我没有这样的调试器，所以不能对源码进行二次开发。不过EPC001是通过串口与上位机进行通讯的，所以可以参考上位机，对照技术手册，使用串口指令控制EPC001和从EPC001读取检测的数据。

设计想法

ESP32-S3-Box-Lite，使用的是ESP32-S3的主控，带有320x240的TTF屏幕，并提供了PMOD接口，可以与EPC001开发板的串口连接，从而控制EPC001开发板进行采集和数据回传。

FtQ1KOZJENiJKUy35K9fWHHwbuW9

Fq1NDwMbok2U5L95uOLR7rCBcUHB

于是结合两者，实现了这个"ECP001便携生命体征检测仪原型机"。

当前分享的这个版本为第一版，实现了对ECP001开发板的基础控制，可以检测一路波形信号数据，并呈现SP02数据。

因为是进行原型开发，所以系统程序的开发基于MicroPyton，界面使用LVGL开发。

在这次分享中，以ECG数据为主。在学习使用EPC001的过程中，得到了EPC001技术人员的大力支持，解决了不少疑惑和问题，并从网络上查到了大量LVGL相关的资料和分享，都非常感谢！

开发板串口的连接

通过开发板的使用手册，可以了解到ECP001开发板上串口通讯的引脚：

Fik9fdF8EwSdsGoDdi9PLKLFhJGX

实际位置位于J3的7、3引脚：

FjBCTJCf45L2vLlsu6kNeoBJnEy-

这个串口引脚，可以与官方提供的USB2TTL连接到电脑，使用官方提供的上位机软件控制PEC001开发板，并读取数据进行呈现。在这个项目中，将其与ESP32-S3-Box-Lite的PMOD上的GPIO11、GPIO13进行连接，实现串口通讯。

数据解析规则

为了更好的理解技术手册中所描述的通讯协议，我还是用了逻辑分析仪，来辅助进行分析。下面是官方上位机软件中，ECG部分的界面：

Fp0on7RhnaNq6q36jUaV0hqVItEu

使用逻辑分析，可以清晰的看到EPC001回传的数据：

FvuGdoUnVJPIAy9EPkr07D9b0ZCk

通过逻辑分析仪，我将所有的界面的参数的设置，测量的启停，都进行了详细的分析，并与手册一一核对。在最开始版本提供的手册，有部分指令和解析规则是对应不上的，向官方技术人员咨询后，得到更新版本的技术手册，从而都匹配正确。

具体的通讯协议，分为两个部分，分别为：

控制命令发送：
下发控制命令后，EPC001会应答对应的控制命令，表示收到。具体的控制指令包括如下：
数据上传：
当使用采集波形指令后，除了会回传控制指令接受成功，后续将会持续的自动上传检测的数据。

具体的数据上传数据包包括如下：

Fj2kVhtS7T87VLiSYX4e4NoOBTqv

通过技术手册和逻辑分析仪配合，了解清楚了通讯协议以后，我还使用串口调试工具，进行了对应控制指令的发送和回传数据的接收，把这些弄清楚了，就可以开始具体的开发工作了。

MicroPyton中串口数据的读取

在ESP32-S3-Box-Lite的系统程序中，使用串口与EPC001通讯： FtXyk8XlLTbsCvN8M3VQrdjY2QHt

在MicroPython中，处理串口通讯非常快捷方便。

首先定义串口通讯引脚：

FtKO8Qa8zu_VavvcgFWl0VJBvhNB

然后使用uart.write()进行发送，使用uart.any()检测是否有收到数据，使用uart.read()读取数据：

FqCuu_4_76mLJKRXYlnhvdL4NpOB

因为不同的波形数据的获取，对应不同的指令，所以可以参考实际需要，进行指令的定义：

Fm7utcXm-EeqIUEU3FH38bFYnQfe

发送对应的波形采集控制指令后，就能够接收到数据上传了。

在代码中，我适当的输出了读取到的数据：

FogvIu97s6Jf2nq-H5dqzLYkaAUE

可以看到，持续收到了0x21开头的ECG波形数据。

读取到数据之后，就可以根据技术手册的说明，进行解析。

Fo8MuTToj6ODDCKfrgGHWOZagJfd

上面的示例为EMC，ECG的上传数据规则类似，只是最开始的数据包头类型为0x21。

Fu2DqqwN3z8q9Iqw-eb1inBZ0Tlc

在MicroPython中，使用如下的方式进行解析：

FmrY0CB-ss0753xrfgf5O3XRL5fy

上述解析过程如下：

检测数据包的头和尾，应为为0x21、0x0A，则表示有效的ECG数据
计算校验和位之前的数据包内容部分的校验和，并与收到的校验和进行对比，相同则说明数据有效
再取得数据中的波形数据的部分，进行下一步的处理

参考前面使用逻辑分析的结果和技术手册，可以了解波形部分的数据，是对应数字的ASCII码，使用下面的代码进行界面得到对应的数值：

Fpbh8BjEZ2s0VYxFxz67lenB6dNX

如前述逻辑分析仪取得的数据：

FkjnEJUhw8krUbtem_fOnvaH6tCh

解析后，对应的数值为：8388608

该数值，即为ADC采样的原始值(RAW)，可以参考手册中的说明，转换为mV原始值和增益值：

Fpj54gahVvBsLhzwt3OmR2tfl7zF

增益值和原始值的差别，只是在于计算增益值的时候，nGain=1即可。

对应的MicroPython处理代码如下：

Fj1UCnjN5lfXE08y0pRJbeSfK8aE

因为拿到过两版技术手册，所以上面的代码中，有两个计算公式。实际的处理代码，为下面的部分，与最新的技术手册对应。

界面的处理

在界面的处理上，因为是第一版，所以以简洁快速为主，基本的设置如下。

开机首显示首界面
按中键后，进入波形采集和呈现界面
- 在此界面，可以按中键，进行切换暂停和呈现状态
按左右键，分别为进入波形界面和SP02数据呈现界面
按右上角BOOT按键，则返回首界面

因为使用了LVGL进行界面的开发，所以可以很方便的使用LVGL的组件，来进行具体界面的呈现。

首界面：使用LVGL的image组件呈现图片
波形部分的显示：使用LVGl的chart组件
波形界面文本显示：在波形数据界面，会显示当前的参数设置，以及读取到的数据，使用LVGL的label组件即可：
SP02数据：使用LVGL的Table组件进行呈现：

最后，再使用按键，来处理对应界面的切换：

Ft8gx3QOs_gqzQe7K1w3vppvp3lJ

串口数据对接LVGL界面

通过LVGL设计好了相应的界面，再将读取到的数据，与LVGL界面关联起来，就能实时进行数据呈现：

波形数据的呈现：
SP02数据的呈现：

功能展示

最终，第一版原型机实现的功能如下：

首界面：
波形界面：
SP02数据呈现：

源码分享

完整的源码，可以查看：https://gitee.com/honestqiao/EPC001_ESP32-S3-Box-Lite

后续计划

随着对暖芯迦EPC001使用的深入，以及在MicroPython中使用LVGL的熟练，对第二版也进行了一些规划。

功能上
- 完善对现有波形数据的支持：
- 采用模块化的结构，进行数据解析
- 实现对PPG-绿光、PPG-红光、ECG、PPG+ECG、EMG、EEG、BP波形数据的控制和读取，以及SP02数据的读取
界面上
- 使用Screen/Tab的方式，方便进行切换操作