BMD101传感器协议解析与STM32实现（LCD显示波形）

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BMD101传感器协议解析与STM32实现（LCD显示波形）

1 前言

BMD101传感器是神念科技开发的心电传感器。目前有一些商家开发了BMD101传感器模块，基本上都是利用蓝牙直接传输数据到PC或手机端。而本文介绍通过串口将数据传送给单片机，并在单片机上完成数据解析和心电波形LCD显示的功能。

2 通信协议解读

BMD101 通过 UART 接口通信。这是一个标准的 UART 接口，定义为 1 个起始位，8 个数据位，1 停止位格式，波特率 57600。
串口输出的数据包格式如下：

包括Header（帧头）、data payload（数据有效载荷）、CRC校验字节三个部分。

帧头包括两个SYNC字节（其值均为0xAA），用于指示一帧数据的开始。帧头的plength字节用于指示数据有效载荷部分的字节数。它的值可能是0-169的某一值。

Data Payload 是由一系列连续的 DataRow 组成。分析 Data Payload 涉及到解析每个 DataRow。DataRow的组成如下：

DataRow 起始位可能有零个或多个[EXCODE]（扩展代码）字节，这些字节的值均为 0x55。EXCODE 字节数表示 Extended Code Level。Extended Code Level 是用来与[CODE]字节一起确定DataRow的数据表示的是什么方面的信息。 如下表所示，例如：Extended Code Level为0和[CODE]=0x02决定了当前DataRow表示的是信号质量的信息。

如果[CODE]字节在 0x00 和 0x7F 之间，那么DataRow就没有[LENGTH]字节，紧跟着[CODE]的是一个字节的[DATA]值，然后 DataRow 结束。

如果[CODE]字节的值在 0x80 和 0xFF 之间，那么紧跟着是[LENGTH]，它表示[DATA]的字节数。

通常我们从BMD101接收到的DataRow主要有三种：[CODE]=0x02，即信号质量数据，信号质量是一个介于0-200之间的数据，数值越大表示传感器采集到的信号质量越好，等于0时可能是因为电极与人体接触不良。

[CODE]=0x03，即实时的心率数据，用一个字节表示。这也是BMD101的方便之处，开发者不必再通过算法求出心率，只需通过读取串口发送的心率数据即可，心率数据一般每秒发送一次，但在信号质量不佳时仍然会输出心率数据，因此在使用心率数据前应该验证信号质量是否过差。

[CODE]=0x80时，输出的数据[DATA]表示原始的心电波形数据，每一个数据由16位补码组成，其值范围为-32768到32767之间。这16位数据的第一个字节是高8位字节，第二个字节是低8位，为了通过这两个字节还原心电波形数据值，可以通过以下代码完成：
short raw =(Value[0]<<8) | Value[1];
[DATA]可能包含了很多个心电数据，因此可能由很多个字节组成，通常BMD101每秒输出512个原始心电波形数据，即采样率为512Hz。

数据包解析步骤

1. 从数据流中连续读取字节，直到[SYNC]字节（0xAA）时。
2. 读取下一个字节，并确保它也是一个[SYNC]字节（如果没有，返回步骤 1）。
3. 读[PLENGTH]字节。
4. 从[PAYLOAD…]中读取下一个 PLENGTH 字节，把它们保存在一个存储区域（如
   unsigned char payload [ 256 ]数组）。按照接收的顺序累加每一个字节到校验器中。
5. 使校验器中的低 8 位取反。这里是 C 代码：
   checksum &= 0xff；
   checksum = ~ checksum & 0xff；
6. 读取[CRC]字节并验证它是否符合你的计算校验和（如果没有，返回到步骤 1）。
7. 循环，直到 payload[]数组中所有字节（也就是 DataRows）被解析：
   a）解析和计算[EXCODE]字节的数值（0x55），一般在当前 DataRow 的开始。 b）解析当前 DataRow 中的[CODE]字节数据。 c）如果适用，解析当前 DataRow 中的[LENGTH]字节数据。d）分析和处理 当前 DataRow 中的[DATA…]字节（或数组），基于 DataRow 的 [EXCODE]等级、[CODE]和[LENGTH]。 e）如果不是所有的字节都从 payload []数组中解析完成，返回 a）解析下一个DataRow。

3 STM32实现数据包解析

配置STM32串口为中断接收方式，在中断服务函数中，完成数据包的接收与保存工作，代码如下：

u8 Uart2_Buffer[256];        //接收缓冲区
u8 Uart2_Rx = 0;             //Uart2_Buffer下标
u8 Uart2_Len;                //数据长度（第三字节以后包含crc）
int checksum=0;              //根据Payload计算出的校验值
u8 Uart2_Sta=0;                //数据帧正确标志
u8 Uart2_check;              //帧尾的校验值
u8 sig_quality=200;            //信号质量
//@brief: Receive a packet.If the packet is received correctly, 
//function parsePayload will be called,else this packet will be discarded
void USART2_IRQHandler() 
{ if(USART_GetITStatus(USART2,USART_IT_RXNE) != RESET) { USART_ClearITPendingBit(USART2,USART_IT_RXNE);Uart2_Buffer[Uart2_Rx] = USART_ReceiveData(USART2); Uart2_Rx++; }if(Uart2_Rx < 3)   //判断是否完成帧头接收{if(Uart2_Buffer[Uart2_Rx-1] != SYNC) // 异常{Uart2_Rx = 0; //下标清0Uart2_Sta = 0; //标志置0}}else if(Uart2_Rx == 3) //得到Payload长度Uart2_Len = Uart2_Buffer [Uart2_Rx-1]; else if(Uart2_Rx < 4 + Uart2_Len) //接收Payload{checksum += Uart2_Buffer[Uart2_Rx-1];  //计算校验值//checksum &= 0xFF; }else  //接收校验位{Uart2_check = Uart2_Buffer[Uart2_Rx-1];checksum &= 0xFF ;checksum = ~checksum & 0xFF;if(checksum != Uart2_check) //校验错误 ,丢弃该数据包{Uart2_Rx = 0; //下标清0Uart2_Sta = 0; //标志置0checksum = 0;}elseUart2_Sta = 1;//接收完成}if(Uart2_Sta) //检测到标志，说明成功接收{ parse_payload();   //调用数据解析函数Uart2_Rx = 0; //下标清0Uart2_Sta = 0; //标志置0checksum = 0;}
}

下面给出数据解析的函数：

void parse_payload(void) //对有效负载的内容作分析处理
{u8 bytesParsed = 0;//已处理的字节数u8 code;u8 length;  //当前DataRow包含的Value的字节数u8 extendedCodeLevel;short int rawValue = 0; //心电数据while(bytesParsed < Uart2_Len){extendedCodeLevel=0;while(Uart2_Buffer[3+bytesParsed] == EXCODE){extendedCodeLevel++;bytesParsed++;}code = Uart2_Buffer[3+bytesParsed];bytesParsed++;if(code >= 0x80){length = Uart2_Buffer[3+bytesParsed];bytesParsed++;}else length = 1;//now we get ExCodeLevel,code and the length of DataValue//in fact,Extended Code Level is always 0,so we can ignore it		switch(code){case 0x80://two bytes signed data of raw wave value,big-endianif(sig_quality > 0){rawValue = Uart2_Buffer[3+bytesParsed];rawValue <<= 8;rawValue |= Uart2_Buffer[4+bytesParsed];drawCurve(rawValue);}elseLCD_Clear(WHITE);//信号质量不佳，清屏countData=0;break; case 0x02://one byte data of signal quality,0 stands for poor quality while 200 stands for good sig_quality=Uart2_Buffer[3+bytesParsed];break;case 0x03://one byte data of heart rate valueLCD_ShowNum(290,50,Uart2_Buffer[3+bytesParsed],2,12);  //在屏幕上显示心率值break;}bytesParsed += length;}
}

点击下载完整Keil工程文件
LCD显示用的是正点原子Mini板，以及相应的LCD库函数。drawCurve(rawValue);是根据心电数据在屏幕上绘制心电波形，具体实现参考我的另一篇博客

实现效果如下：

由于没有滤波处理，BMD101的输出信号噪声还是比较多的。另外BMD101对噪声十分敏感，传感器的串口不应该直接与开发板的串口通过杜邦线直接连接，否则波形失真严重。可以在两者之间增加一个数字隔离模块。