本项目基于中科蓝讯AB32VG1开发版以及RT-Thread软件框架，利用集成前端倾角传感器MPU6050与双通道血氧检测传感器MAX30100，设计了一套完整的可采集手部位姿、血氧饱和度、温度、心率等参数的硬件平台。 该硬件平台，具有且不限于以下应用场景： 手功能康复评估（医疗）：对手部残疾或手指受伤术后康复患者，可以借助对指节温度、血氧饱和度、手指可活动范围（ROM）等客观指标进行可复现、高精度的手功能康复评估。 人机交互（VR/MR/MetaVerse）：借助六轴陀螺仪对操作者手部姿势的高准确度还原，形成更自然、操作信息更丰富的人机交互手段。 动作捕捉(影视、游戏)：同样借助六轴陀螺仪对操作者手部姿势的高准确度还原，应用于游戏、电影、动画制作等需要对真人手部动作捕捉的场景。 低成本多通道模拟开关的设计，大幅降低物料成本和MCU的IO占用，配套以自行设计的小尺存传感器电路板，整套设备成本控制在200元以内，结合基于RT-Thread框架的开源软件包的使用，十分方便复现。

首先根据需求进行硬件方案的设计，在经过反复比对、开发板资源验证后，最终选择了五路独立传感器通道+开发板+DIY开发板拓展版的硬件方案。

硬件整体设计框图如下：

         

为了系统的表述硬件的设计思路，我们可以从最接近需求的设计部分——传感器电路开始介绍。

一、指节传感器电路

为了完成对手部动作的完整捕捉，以及考虑到医疗用途中患者手部受伤状况的复杂性。

传感器部分采取了独立、并行的硬件设计，分别布置在人手指末端的五个指节处，并可以根据需求进行放置位置的移动。

传感器电路主要完成以下四个参数的采集：指节位姿、血氧饱和度、心率以及温度。

指节位姿信息的采集，目前市面上主要流行的方法有应变电阻、电位器以及IMU的测量方案，考虑到在医疗场景中使用时，方便佩戴以及体积小巧是很重要的考虑因素，因此选择了使用IMU的测量方案，这里我们选择了MPU6050的六轴集成传感模块。

血氧饱和度以及心率的测量，由于考虑到医疗安全的角度，且对精度没有十分准确的要求，我们最好采用非侵入式的监测手段，而PPG（光电容积脉搏波）是一种很成熟的非侵入式监测方案，大致原理是通过人体血液中氧合血红蛋白与还原血红蛋白，对不同波长入射光的投、反射系数不同，通过对特定波长反射光光强的量化，即可得到PPG信号，单通道的PPG信号我们可以获得心率和血压信息，而双通道（双波长）的PPG信号则可以获得血氧饱和度的信息，最终考虑到传感器集成体积和成本，选择了MAX30100集成传感器进行血氧饱和度、心率以及温度信息采集。

电源设计及通信接口，MPU6050为3.3V供电，MAX30100同时需要3.3V和1.8V的供应电压，因此设计了3.3V和1.8V两路LDO。通信接口方面，两个集成传感器都使用IIC通信的方式。考虑到模块的更换方便与外观简洁，设计了Type-c的端口进行供电与数据传输。

传感器电路原理图与布局示意图如下：

                                                              传感器电路原理图

                     

                                                            传感器电路立体图 

                

                                                         电路布局示意图（背离人体面） 

                                                        电路布局示意图（朝向人体面）

实物焊接效果如下：

         

二、前端数据电路（AB32VG1开发板拓展版）

完成了传感器电路部分的介绍，接下来介绍的是我们为了完成此次设计，结合中科蓝讯AB32VG1开发板设计的拓展版，AB32VG1丰富的开发资源与合理的可拓展硬件设计，为拓展设计提供了极大便利。

此次拓展版的设计，主要考虑到以下两个方面的需求：

1. AB32VG1开发板的供电电流（500mA）可能无法支持5路传感器+开发板的同时工作。

2. 前端传感器出现IIC地址重叠

因此，为了满足这些需求，我们为拓展版设计了以下三个方面的模块：

电源管理模块，主要包括12V直流输入、DC-DC降压、LDO稳压，为开发板和前端传感器提供电源供应与基准电压，后续还可根据需要加入电池管理与充电IC。

多路模拟开关模块，利用TI的CD4051多路模拟开关，在采集对应通道的传感器数据时，进行特定选通，较低成本的解决了IIC地址复用问题。

OLED显示模块，方便设备在脱机使用时，显示一些本地信息和调试。

拓展板电路原理图及布局示意如下：

             

                                                              拓展板原理图

     

                                                                 拓展板立体图

                                                                    拓展板布局示意图

实物焊接效果如下：

最后是此次设计基于的开发板AB32VG1，厂商提供了详细的开发板资料、datasheet与例程，可以参考此次大赛的首页或公司首页获取这些资料。

焊接完成后，完成整体组装，因时间紧迫，尚未来得及设计外壳，后续视情况添加。

        

                     

在硬件部分完成设计后，进行了软件框架的设计与编写调试。

首先说明一些本次设计引用到的开源代码与RT-Thread相关软件包：Invensense官方提供的eMPL姿态解算库（主要进行IIC读写函数以及少量系统函数的移植）、MAX30102的软件包（与MAX30100驱动部分有差异，需自己修改）

软件部分流程如下图所示：

传感器初始化部分： 各通道轮流初始化，全部工作寄存器配置完成后，查询各传感器ID及状态，确保正常工作。

传感器数据采集： 这里采用信号量的方式进行各采集线程的同步，主要考虑到多路模拟开关只在各线程采集进入时切换通道，若中途发生线程优先级抢占或轮转，会采集到错误通道数据。

数据上传及查询： 原先的设计是增加串口上传线程，进行数据上报，但是由于时间紧张，上位机显示部分尚未完工，因此目前先采取MSH命令行查询的方式，验证采集数据的正确性。

最终佩戴至人体如图（后续会增加感器外壳，增加安全性）：

上电工作：

各通道初始化（红光为MAX30100光电传感器光源）：

血氧、心率数据采集（单通道显示）：

以及原本计划编写手部实时捕捉的上位机显示部分尚未完工，因此暂时借用匿名四轴上位机进行数据显示，需要按照匿名上位机的格式进行数据发送（拇指）：

多指节数据借助msh命令行输出进行验证（指节2、3的roll角度变化较为明显）：

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