2026 ADI CodeFusion 竞赛 - 基于MAX32655FTHR实现心率和温度监测系统

内容介绍

1 项目摘要

基于 ADI 公司的 MAX32655FTHR 开发板，设计了一套心率和温度监测。系统包含硬件——MAX32655FTHR 开发板，以及MAX30102 光电容积脉搏波模块、数字温度传感器、光敏电阻模块、本地显示与存储：OLED、microSD 卡、板载 16MB QSPI Flash；和软件——C 语言编写，运行于 Zephyr RTOS 4.3.0，按 App / Com / Driver / Sys 四层解耦、10 个并发线程、CodeFusion Studio 工程与设备树板级配置。

该系统以 25Hz 采样光电容积脉搏波并实时算出心率、用单总线 DS18B20 测体温、用光敏模块的数字电平判断遮光状态（手指按上且环境无光两个条件同时满足才开测），数据在 0.96 寸 OLED 上本地显示；同时把未经任何处理的原始 PPG 波形逐样本打时间戳写入 microSD 卡，可通过串口文件协议取回电脑、用同一份算法源码复算对照，形成一个可自证的数据闭环；心率越界（> 120 或 < 50 bpm）时蜂鸣器报警。

系统实时性好（心率 2~5 秒收敛，显示稳态每帧仅向面板下发约 190 字节）、数据可信（原始波形与离线复算双向印证，误差 ≤ 15%)。

2 所选任务

所选任务：自命题。

题目为「基于 MAX32655FTHR 的可穿戴多参数生理监测系统」。选题动机很直接：MAX32655FTHR 是一块面向可穿戴与医疗传感的超低功耗开发板（Cortex-M4F 120MHz + RISC-V 协处理器、片上 512KB Flash / 128KB SRAM、板载 DAPLink），正好适合做一颗"能同时采生理信号、能本地显示、还能把原始数据留下来做算法验证"的小型监视终端。

3 设计方案框图与软件流程图

左侧主流程：上电初始化 → 创建 6 个后台线程 → 待机 → 遮光成立才启动测量 → 越界报警 → 循环等待；右侧为三条并发线程（心率采集 / 体温采集 / 显示刷新）的独立循环。

3.1 硬件部分

硬件包括两个部分：MAX32655FTHR 开发板（核心），以及一组通过排针与杜邦线互连的传感 / 显示 / 存储模块。

3.1.1 MAX32655FTHR 开发板

MAX32655FTHR 是 ADI 公司面向可穿戴与医疗传感应用的低功耗开发板，其核心是一颗 Arm Cortex-M4F @100MHz，支持硬件浮点运算，可运行轻量图形与信号处理程序；片上集成 512KB Flash / 128KB SRAM，以及 ADC（10bit）、I²C、SPI、UART、I²S、独立看门狗、TRNG 等外设。板载 DAPLink 提供 SWD 调试与虚拟串口（COM3），是整个开发过程唯一也是最重要的观测通道；Feather 兼容排针则便于与常见模块对接。

选它的理由有三：一是超低功耗，适合可穿戴；二是 Feather 封装引出脚多、与市售模块对接方便；三是 ADI 提供了完整的 CodeFusion Studio + Zephyr 工具链。

3.1.2 生理与环境传感模块

•• MAX30102 心率/血氧传感器模块：集成红光（660nm）与红外（880nm）双 LED、光电二极管、18bit ADC 与 32 深度 FIFO，I²C 从地址 0x57，中断输出接 MCU 的 P1.8。本项目以 100Hz 采样率、4 倍平均、Red + IR 双通道模式采集 PPG 原始波形，故 FIFO 的有效输出率为 100/4 = 25Hz。注意：MAX30102 没有片上算法，它输出的只是反射光强度，心率必须由 MCU 或上位机自行计算。

•• DS18B20 数字温度传感器：单总线（1-Wire）接口，DQ 接 P1.6，测量范围 -55~+125℃，12bit 分辨率下转换时间约 750ms。采用外部 4.7kΩ 上拉到 3.3V 的伪开漏接法。

•• 光敏电阻模块：模块板载 LM393 比较器，同时提供 AO（模拟）与 DO（数字）两个输出。本项目最终采用 DO 数字输出接 P2.0，MCU 侧按 GPIO 输入读取"有光 / 无光"二值：翻转阈值由模块上的电位器硬件设定，软件不做任何 A/D 换算。这样选择的原因有二：① 本项目的用途不是测光照度，而是判断"当前是否处于遮光环境"（遮光能显著降低环境光对 PPG 的干扰），二值量足够且更稳；② 去掉 ADC 通路后省下一个片内外设（实测省 5.7KB Flash），也避免了模块分压电压与 ADC 内部参考（1.2V）不匹配带来的满量程饱和问题。

3.1.3 显示与声光

•• OLED 128×64（I²C 0x3C）：单色 1bpp，页式显存 1024 字节。

•• 有源蜂鸣器模块（低电平触发）：上电短鸣 0.2s 自检；测量过程中心率越界（> 120 或 < 50 bpm）则持续鸣叫，条件解除即停。

•• 板载三色 LED（RGB，P0.18 / P0.19 / P0.26）：用于运行状态指示。

3.1.4 存储模块

•• 外接 microSD 卡：走 SPI1，初始化阶段降速至 400kHz，使用 FatFs 文件系统，挂载点 /SD:，用于写入原始 PPG 数据文件。

•• 板载 W25Q128 16MB QSPI Flash：走 SPI0（片选 CS1 = P0.11，WP / HOLD 引脚开机 hog 拉高，4MHz），使用 LittleFS 文件系统，挂载点 /FLASH:，作为 SD 卡异常时的备用存储与配置存储。

3.1.5 交互与按键

•• 板载按键 SW2 = P0.2（用于"开机画面 / 心率页"手动切页）

3.2 软件部分

软件总体分为两部分：主控程序（C 语言、Zephyr RTOS 4.3.0，含驱动与通信协议）、板级配置（CodeFusion Studio 工程、设备树 overlay、Kconfig 裁剪）。

3.2.1软件分层架构（App / Com / Driver / Sys + Zephyr RTOS）

工程严格分四层，依赖方向自上而下单向：

App 层：应用任务层，只做业务编排，不直接碰硬件寄存器；
Com 层：通信协议层，ufs_core.c 实现 UFS 文件传输协议的帧解析与命令分发，ufs_uart.c 负责 uart0 收发与环形缓冲；
Driver 层：设备驱动层，max30102.c、oled.c、hr_algo.c、ds18b20.c、photoresistor.c、buzzer.c、led.c、sd_card.c；
Sys 层：系统服务层，i2c_bus.c（应用锁 + 总线自愈）、storage.c（会话文件管理）、qflash_store.c（LittleFS 封装）、console_guard.c（日志闸门）。

系统数据流可以概括为：采集任务读回 PPG 样本 → 按采样率逐样本回推时间戳 → 喂入心率算法 → 发布"是否在测量 + 当前 bpm" → 显示任务据快照绘制；同时把原始样本投进消息队列 →TF卡进行记录

3.2.2 心率测量通道

① 采集与算法。 MAX30102 的 FIFO 攒到接近半满时产生一次中断，采集任务一次读回 16 个样本（Red + IR）。算法采用 SparkFun PBA 思路的 C 移植：对 IR 采样做直流估计 + 12 阶低通 FIR 得到交流分量，用过零点与峰谷差判定一次心跳，再由心搏间期（IBI）换算 BPM 并做滑窗平均。

心率判据的峰谷差窗口必须按实际信号幅度定（关键代码，Driver/Src/hr_algo.c）：

    /* 正过零（上升沿）→ 结束一个周期，用刚过去的峰谷差判心跳 */
    if ((IR_AC_Signal_Previous < 0) && (IR_AC_Signal_Current >= 0)) {
        int16_t ac_max = IR_AC_Signal_max;
        int16_t ac_min = IR_AC_Signal_min;

        positiveEdge = 1;
        negativeEdge = 0;
        IR_AC_Signal_max = 0;

        int32_t ac_pp = (int32_t)ac_max - (int32_t)ac_min;

        last_ac_pp = ac_pp;
        if (ac_pp > BEAT_AC_MIN && ac_pp < BEAT_AC_MAX) {
            beat = true;
        }
    }

    /* 负过零（下降沿） */
    if ((IR_AC_Signal_Previous > 0) && (IR_AC_Signal_Current <= 0)) {
        positiveEdge = 0;
        negativeEdge = 1;
        IR_AC_Signal_min = 0;
    }

    if (positiveEdge && (IR_AC_Signal_Current > IR_AC_Signal_Previous)) {
        IR_AC_Signal_max = IR_AC_Signal_Current;
    }
    if (negativeEdge && (IR_AC_Signal_Current < IR_AC_Signal_Previous)) {
        IR_AC_Signal_min = IR_AC_Signal_Current;
    }

    return beat;
}

② 中断轮询兜底。 MAX30102 的 FIFO 半满中断走 P1.8，而这一根线是全场唯一"断了不影响其他任何东西"的线，在面包板原型上最容易松。原代码在等待超时后直接 continue，等于"要么有中断、要么永远读不到数据"：

改成"轮询兜底"后，即使中断线松脱采集仍能持续；若哪天读回来有数据，日志本身就证明了"是线的问题而不是传感器"。

3.2.3 数据记录与文件传输

① 原始数据落盘。 采集任务把样本投进 k_msgq，记录任务消费后按会话写入 /SD:/DATA/HR_xxxxxx.bin，文件格式为 20 字节头 + 12 字节/条（ts_ms, red, ir），每满 4MB 自动轮转新建文件。文件里存的是原始 PPG 波形。

② 挂载完全异步化。 SD 卡是外接模块，插拔与接触风险高，固件把挂载放到后台：卡没插好就每 3 秒重试，绝不阻塞启动。

3.2.4 系统可靠性

本项目的可靠性设计围绕共享总线展开，共两层：

应用层互斥：i2c_bus.c 提供可重入的应用级锁，保证同一时刻只有一个任务进驱动（I²C2 上同时挂着 OLED 刷屏与心率采集两个高频访问者）。
监督任务兜底：低优先级 i2c2_watch 检测到"两个 I²C 任务同时静默超过 6 秒"则强制恢复总线，再 20 秒无效则冷复位。

配合独立看门狗（250ms）与各驱动的失败重试，系统在实测中出现过的总线异常都能自愈，无需人工干预。

3.2.5 开发与调试软件

工具	用途
CodeFusion Studio（ADI，含 Zephyr SDK 4.3.0）	工程管理、编译（west + ninja）、GDB 调试、设备树与 Kconfig 配置
OpenOCD（cmsis-dap + max32655.cfg）	命令行烧录：program … verify reset exit，脚本化重试
串口日志（printk）	主要观测手段，所有模块带前缀便于 grep

3.3 设计思路小结

把上面两部分的设计取舍归纳为：

思路一：三总线隔离，把"共享"降到最低。全系统按物理总线切成三块：SPI0（QSPI Flash）、SPI1（microSD）各自独占，互不干扰；只有 I²C2 上是"多器件共享"（MAX30102 + OLED）。共享总线是故障的温床，所以设计上刻意把存储放在独立 SPI 上，避免 SD 卡读写把传感器采集拖慢。

思路二：I²C2 上必须做"应用层互斥 + 总线自愈"双保险。 I²C2 上同时挂着 OLED 刷屏任务和心率采集任务，两者都会频繁访问。实测证明：仅依赖 Zephyr 上游驱动会偶发死锁。因此在 Sys 层加了 i2c_bus.c——一把可重入的应用层互斥锁，再加一个低优先级监督任务做总线 wedge 检测与强制恢复。这是本项目最重要的可靠性设计。

思路三：采集与显示彻底解耦。心率采集任务拿到样本后不是直接去更新屏幕，而是把样本投进消息队列 k_msgq，由显示任务和记录任务各自消费。这样即使屏幕刷新慢、SD 卡写卡顿，也不会阻塞采集——保证生理信号不丢样。

4 项目展示

CodeFusion Studio 软件截图

系统运行画面

串口运行日志截图

END 致谢

感谢硬禾学堂提供的这次平台和机会，以及对参赛选手的答疑与支持！通过这次比赛，我不仅把一颗低功耗可穿戴 MCU 从"点亮"做到了"闭环可验证"，也第一次完整体会到从一个模糊的现象（"心率偏低"）一路做到"用实验定案、用补丁根治"的工程过程。我学到了很多新知识，也亲自体验到了边缘计算与低功耗生理传感结合的价值。谢谢大家！