【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)光學(xué)心率測(cè)(HRM)系統(tǒng)(又稱光電容積脈搏波技術(shù)，簡(jiǎn)稱PPG)是一類復(fù)雜的、涉及多個(gè)領(lǐng)域的項(xiàng)目。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)光學(xué)心率測(cè)(HRM)系統(tǒng)(又稱光電容積脈搏波技術(shù)，簡(jiǎn)稱PPG)是一類復(fù)雜的、涉及多個(gè)領(lǐng)域的項(xiàng)目。設(shè)計(jì)要素包括人體工程學(xué) 、信號(hào)處理與過(guò)濾、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)、低噪聲信號(hào)接收電路以及低噪聲電流脈沖發(fā)生器。
可穿戴電子產(chǎn)品制造商正在不斷為其保健與健身產(chǎn)品添加心率監(jiān)測(cè)功能，集成化也正在推動(dòng)心率監(jiān)測(cè)應(yīng)用中傳感器的成本不斷降低。目前，許多心率檢測(cè)傳感器都在其高度集成的模組中包含了一些分離的元器件，如模擬前端(AFE)、光電管檢測(cè)器和發(fā)光二極管等。這些模組支持更便捷的實(shí)現(xiàn)方式，可在將心率監(jiān)測(cè)功能加入到可穿戴產(chǎn)品中時(shí)降低其成本和復(fù)雜性。
可穿戴產(chǎn)品的外觀形態(tài)也在逐漸改變。在胸帶已經(jīng)有效地服務(wù)了保健與健身市場(chǎng)多年的同時(shí)，心率監(jiān)測(cè)功能現(xiàn)在正在進(jìn)入到各種手腕佩戴產(chǎn)品中。光學(xué)感測(cè)技術(shù)與高性能、低功耗處理器等方面的技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)促使手腕佩戴這種外形可適用于許多設(shè)計(jì);心率檢測(cè)算法的精密度也已到達(dá)了一種新的水平，從而可以被采用手腕佩帶外形的產(chǎn)品所接受。其它新的可穿戴感測(cè)應(yīng)用外觀形態(tài)和應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷涌現(xiàn)，比如頭帶、體育與健身服裝、以及耳塞等。但是，可穿戴生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)的最主要應(yīng)用場(chǎng)景還將歸集于手腕。
沒(méi)有兩種心率監(jiān)測(cè)應(yīng)用是完全相同的，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須考慮許多設(shè)計(jì)折中：如產(chǎn)品的舒適性、感測(cè)的精度、系統(tǒng)成本、功耗、陽(yáng)光影響、處理許多皮膚類型、運(yùn)動(dòng)影響、開(kāi)發(fā)時(shí)間和物理大小等等。所有這些設(shè)計(jì)因素都影響系統(tǒng)集成，是采用高集成度模組解決方案，抑或是采用集成了更多分離元器件的架構(gòu)。
圖1展示了測(cè)量心率信號(hào)的基本方法，它依賴于用光學(xué)方法從人體組織上提取的心率壓力波。圖1說(shuō)明了光進(jìn)入皮膚后傳輸?shù)耐緩剑河尚穆蕢毫Σㄒ鸬拿?xì)血管舒張和收縮運(yùn)動(dòng)對(duì)由綠色LED注入人體組織的光信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制。接收到的信號(hào)因?yàn)橥ㄟ^(guò)了皮膚而被大大地衰減，它被一個(gè)光電管接收并送到電子子系統(tǒng)中去處理。源自脈搏的振幅調(diào)制信號(hào)被檢測(cè)(過(guò)濾掉運(yùn)動(dòng)噪聲)、分析和顯示。
圖1 . 光學(xué)心率檢測(cè)的運(yùn)行原理
心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種基本方法采用了一種定制的的微控制器(MCU)，它被用于控制外部LED驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)發(fā)生，并同時(shí)讀取一個(gè)分離的光電管上的電流輸出數(shù)據(jù)。已知光電管的電流輸出必須轉(zhuǎn)換為電壓，輸出給模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)單元，圖2中的原理圖說(shuō)明了這類系統(tǒng)的基本原理。已知電流到電壓轉(zhuǎn)換器在光電管電流為0時(shí)產(chǎn)生一個(gè)等于VREF的電壓，而隨著電流的增加電壓將下降。
用在心率系統(tǒng)中的電流脈沖通常在2mA到300mA之間，具體數(shù)值取決于被測(cè)的皮膚顏色，以及所期望的信號(hào)必須抵消陽(yáng)光。陽(yáng)光中的紅外輻射透過(guò)皮膚組織時(shí)的衰減很小，這與期望采用的綠光LED發(fā)出的光線不同，所以它能夠淹沒(méi)綠光的信號(hào)，除非所采用的綠光非常強(qiáng)，或者添加一個(gè)昂貴的紅外線阻斷濾波器。在通常情況下，射入皮膚的綠色LED光線的強(qiáng)度，是陽(yáng)光強(qiáng)度的0.1倍到3倍。由于人體組織的嚴(yán)重衰減作用，到達(dá)光電管的信號(hào)非常微弱，需要產(chǎn)生僅夠使用的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)合理的70-100dB信噪比(SNR)，以便在即使是有完美的、無(wú)噪聲運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的情況下來(lái)消除噪聲。采用這種消噪的原因是在每秒25次的數(shù)據(jù)讀取中，每次光電管都會(huì)接收到一定數(shù)量的電子。設(shè)計(jì)中所采用的光電管的大小在0.1 mm2到7 mm2之間。但是，當(dāng)它大于1mm時(shí)就會(huì)因陽(yáng)光的影響而出現(xiàn)不確定的返回值。
圖2. 用光電法獲取心率數(shù)據(jù)所需的基本電子線路
如圖2所示，在一個(gè)光電心率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，難以實(shí)現(xiàn)和成本很高的功能模塊分別是：快速的、大電流的驅(qū)動(dòng)LED的電壓到電流轉(zhuǎn)換器，用于光電管的電流到電壓轉(zhuǎn)換器，以及運(yùn)行算法和對(duì)序列信號(hào)進(jìn)行處理的MCU。一個(gè)可被設(shè)置到低至2mA的很低電流，但同時(shí)仍然能產(chǎn)生短至10µs的非常窄的光脈沖低噪聲(75 - 100 dB SNR)300mA LED驅(qū)動(dòng)器也是一個(gè)用分離器件實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常昂貴的模塊。
圖2中所示的短至10µs的窄光脈沖支持系統(tǒng)去容忍運(yùn)動(dòng)和陽(yáng)光，典型的方法是每秒25次采樣率下的每次次的快速光測(cè)試，一次測(cè)量是在LED關(guān)閉的情況下完成的，而另一次則是在LED打開(kāi)的情況下完成。計(jì)算得出的差值消除了環(huán)境光的影響，重要的是給出了對(duì)閃爍的背景光不敏感的期望的原始光信號(hào)測(cè)量值。
極短的光脈沖可以提供更強(qiáng)的光脈沖，可以比陽(yáng)光的亮度更高，這也許是目前的解決方案并使PPG信號(hào)載波不被陽(yáng)光信號(hào)所破壞的方法之一。如果陽(yáng)光信號(hào)大于PPG載波，盡管它可以通過(guò)減法被消除，但是手臂運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)的難以消除的噪聲。所以系統(tǒng)會(huì)使用一個(gè)低電流的LED驅(qū)動(dòng)器和大面積的光電管對(duì)運(yùn)動(dòng)和陽(yáng)光噪聲進(jìn)行補(bǔ)償。
許多期望的心率檢測(cè)感測(cè)功能可以通過(guò)預(yù)先的設(shè)計(jì)和集成，用僅僅一個(gè)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。將該項(xiàng)功能的大多數(shù)電路集成到一塊芯片中，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較小的3 mm x 3 mm封裝，這甚至可以把光電管自己集成于其中。
圖3以Silicon Labs的Si118x光學(xué)傳感器為例來(lái)說(shuō)明電路原理，基于此器件可以相對(duì)方便地實(shí)現(xiàn)心率檢測(cè)設(shè)計(jì)。工程師只需專注于設(shè)計(jì)的光學(xué)部分，其中包括電路板上各部分間的光學(xué)單元和將該系統(tǒng)如何與皮膚配合。
圖3. 一個(gè)只需要外部LED的集成化心率傳感器
圖3所示的方法可以實(shí)現(xiàn)高性能的心率檢測(cè)解決方案，它并不是一些設(shè)計(jì)師所期望的小型化或高功效方案。 為了實(shí)現(xiàn)更小的解決方案，LED片芯和控制芯片必須被集成到同一個(gè)封裝中，其中集成了所有的必需的功能，包括光學(xué)單元和可以改善LED輸出的透鏡。圖4說(shuō)明了這種集成度更高的解決方案，它基于Silicon Labs的Si117x光學(xué)傳感器。
這種心率檢測(cè)設(shè)計(jì)不需要額外的LED，因?yàn)長(zhǎng)ED和光電管都集成在模組內(nèi)部了，而該模組可以直接安裝在光學(xué)界面的下面，亦即諸如智能手表等可穿戴產(chǎn)品的后蓋里面。這種頗具優(yōu)勢(shì)的方法使LED與光電管之間的距離短于分離器件設(shè)計(jì)，這種更短的距離支持極低功耗的運(yùn)行，這是因?yàn)樵诖┩钙つw時(shí)的光損失更低。
集成多個(gè)LED也解決了LED與光電管之間的光泄漏問(wèn)題，其結(jié)果是設(shè)計(jì)人員不必在印刷電路板上添加光阻隔離。不采取這種方法的結(jié)果是，用塑料或者泡沫插入物和印刷電路板上的特別銅層來(lái)處理隔離。
圖4. 一個(gè)高度集成的心率檢測(cè)傳感器模組集成了所有必須的元器件
當(dāng)然，其中還有一款心率檢測(cè)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)人員不必去關(guān)心的部分：心率檢測(cè)算法。這個(gè)寄附在主處理器上軟件單元非常復(fù)雜，其原因是在用戶鍛煉或者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)變差的情況。最終用戶的運(yùn)動(dòng)通常會(huì)產(chǎn)生其自身的信號(hào)，它們可能欺騙真正的心率信號(hào)，并在有些時(shí)候被錯(cuò)誤地認(rèn)作是心率節(jié)奏。
如果一家可穿戴產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有開(kāi)發(fā)算法的資源，第三方供應(yīng)商可以以軟件授權(quán)交易的提供這種軟件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光學(xué)傳感器心率算法，它們可以在編譯后運(yùn)行在大多數(shù)處理器上。
當(dāng)然，最終由設(shè)計(jì)師來(lái)決定各種心率檢測(cè)應(yīng)用中需要多高的集成度才合適， 設(shè)計(jì)人員能夠用高集成度的模組化解決方案和購(gòu)買算法授權(quán)去簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程并加快產(chǎn)品上市。對(duì)于對(duì)光學(xué)感測(cè)有深入認(rèn)識(shí)、同時(shí)時(shí)間及資源也頗為豐沛的開(kāi)發(fā)人員，這可以選擇使用分離元器件(傳感器、光電管和鏡頭等等)及自己的系統(tǒng)集成，甚至還可以開(kāi)發(fā)他們自己的心率檢測(cè)算法。最終，當(dāng)我們進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以選擇全部靠自己去完成，或是全部從外部購(gòu)買。
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