基于MATLAB设计IIR滤波器之BH1790GLC心率传感器

大家好，前段时间，得到了一个很有意思的传感器，BH1790GLC心率传感器，这个传感器是ROHM生产的，一个日本的厂家。

         其他的不说，就说说这个传感器吧。

         作为一名硬件开发设计人员，我拿到这个模块第一反映是去官网下载其数据手册，通过数据手册去了解这个传感器的特性。

         当有一个脉搏信号传递过来时，会造成血管的体积发生变化，如上图所示。传感器就通过采集血管的变化来检测脉搏。

         整个传感器框图如下：

         传感器需要外接两个绿色的LED灯珠，这个LED普通的还真不行，模块使用的是SML-M13MT这个型号，它与普通的LED的区别是，其通过反射的方式，将光强在一定范围内实现等效分布。

         芯片内部有绿色LED的驱动电路，另外在传感器的外部，有一组IRCUT滤波器，将外部的其它光线以及红外光线滤除，让绿光通过IRCUT，进入ADC去采集。最后数据通过IIC传输出来。

         整个传感器也没有几个用到几个器件，但是我查了，这个模块还真不便宜，网上报价是在100左右。

         模块的电路如下：

         其他参数就不多少了，详情可以查看传感器的数据手册，

         整个传感器的寄存器也没有几个，除了ID寄存器外，剩下就是控制寄存器，采集到的数据也是保存到DATOUT_LEDON 、DATOUT_OFF这两组数据寄存器中。

         还在手册上有测量控制说明，不至于让我感到太迷茫：

         按照这个时序，我对0x41 – 0x43寄存器进行了如下设置。

最后按照时序要求就，读出DATOUT_LEDON 、DATOUT_OFF

         我将读出的DATOUT_LEDON 、DATOUT_OFF值通过串口打印出来，并画了线。

         下图为我手指没有放上去的时候的数据波形：

         DATAOUT_LEDOFF（红色）、DATAOUT_LEDON(蓝色)的值几乎保持稳定，在室内数据处在260左右。

         放上手指，波形马上发生了变化。

         DATAOUT_LEDOFF（红色）马上下降到20附近、而DATAOUT_LEDON(蓝色)有了很明显跳动，跳动的幅度很小，而且DATAOUT_LEDON(蓝色)值一直上升。

    这样的一个波形，当然如何去提取出脉搏数据？

    又需要一个怎样的算法？

    IIR滤波器应该是比较适合的一种方案。

说到IIR滤波器，那就不得不说FIR滤波器，这两个都是一种数字的线性滤波器，其两者最大的区别是：

1、在相同的技术指标下, IIR滤波器由于存在着输出对输入的反馈，因而可用比FIR滤波器需要更少的参数和资源。

2、FIR滤波器可得到严格的线性相位, 而IIR滤波器则做不到这一点。

3、IIR滤波器可以设计成标准低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，而FIR滤波器则要灵活得多，可以设计出理想正交变换器、理想微分器、线性调频器等

         所以在我们的应用中，考虑IIR滤波器就可以了。相位移位对我来说，没有任何问题。

         针对上图中，当手指按下时的波形，需要对这个波形进行低通+高通的滤波。人体的脉搏正常范围在60-100之间。考虑到极端情况下，所以设置一个3.5HZ的低通滤波器和0.5HZ的高通滤波器，只需要截取0.5HZ - 3.5HZ范围的信号。

先说说IIR滤波器，我这里选择的是直接I型IIR滤波器，其基于二阶Biquad级联的方式来实现的。每个Biquad由一个二阶的滤波器组成：

y[n] = b0 * x[n] + b1 * x[n-1] + b2 * x[n-2] + a1 * y[n-1] + a2 * y[n-2]

直接 I 型算法每个阶段需要 5 个系数和 4 个状态变量，如下图。

x[n]就是输入变量，y[n]就是基于IIR滤波之后的输出值。

按照这样的公式，就是可以实现一个1阶的IIR滤波器，如果你在这个滤波器后面多加几个这样的滤波器，就可以实现多阶的IIR滤波器。

公式有了，但是上面公式中的b0 、b1、 b2、a1、a2这些参数当怎么确定？？

答案是：使用MATLAB

使用fdatool打开滤波器设计工具箱

设置滤波器参数：

注意的是：我们配置的BH1790GLC心率传感器输出数据是按照32HZ的，所以滤波器的采样频率是32HZ，截至频率是3.5HZ，

滤波器参数使用MATLAB输出如下：

得到了滤波器的参数，开始写代码吧。

定义IIR滤波器参数结构体：

IIR滤波器初始化

IIR滤波器计算实现代码如下：

关于滤波器的部分基本上 就是这么回事。

剩下的就是使用IIR滤波器。

程序按照32HZ的频率去读取传感器的数据。

pw_GetMeasureData(&s_pwData);读取传感器的数据保存到s_pwData

pwCalc(&s_pwData, &pw);      数据经过IIR滤波之得到PW数据

滤波方式如下：

首先原始数据先经过滑动求平均之后，经过高通滤波器之后，在经过低通滤波器，最后输出dataOut

现在我将原始数据和滤波之后的数据通过串口传出来，波形显示如下：

红色DATAOUT_LEDON,蓝色DATAOUT_LEDOFF,以及经过IIR滤波之后的数据 pw绿色

将PW波形放大之后：

可以看到，经过IIR滤波之后，pw几乎呈现很规律的正弦波，这样就可以很方便的统计出传感器的脉搏心跳。

最后统计心跳，通过串口显示如下：

当前心率为71，反复测试几次，数值都在70-75，看来一致性还是不错。