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心率感测设计的系统集成考虑

导读: 设计与实现一个光学心率测(HRM)系统(又称光电容积脉搏波技术,简称PPG)是一类复杂的、涉及多个领域的项目。

设计与实现一个光学心率测(HRM)系统(又称光电容积脉搏波技术,简称PPG)是一类复杂的、涉及多个领域的项目。设计要素包括人体工程学 、信号处理与过滤、光学和机械设计、低噪声信号接收电路以及低噪声电流脉冲发生器。

可穿戴电子产品制造商正在不断为其保健与健身产品添加心率监测功能,集成化也正在推动心率监测应用中传感器的成本不断降低。目前,许多心率检测传感器都在其高度集成的模组中包含了一些分离的元器件,如模拟前端(AFE)、光电管检测器和发光二极管等。这些模组支持更便捷的实现方式,可在将心率监测功能加入到可穿戴产品中时降低其成本和复杂性。

可穿戴产品的外观形态也在逐渐改变。在胸带已经有效地服务了保健与健身市场多年的同时,心率监测功能现在正在进入到各种手腕佩戴产品中。光学感测技术与高性能、低功耗处理器等方面的技术进步,已经促使手腕佩戴这种外形可适用于许多设计;心率检测算法的精密度也已到达了一种新的水平,从而可以被采用手腕佩带外形的产品所接受。其它新的可穿戴感测应用外观形态和应用场景也在不断涌现,比如头带、体育与健身服装、以及耳塞等。但是,可穿戴生理指标监测的最主要应用场景还将归集于手腕。

没有两种心率监测应用是完全相同的,系统开发人员必须考虑许多设计折中:如产品的舒适性、感测的精度、系统成本、功耗、阳光影响、处理许多皮肤类型、运动影响、开发时间和物理大小等等。所有这些设计因素都影响系统集成,是采用高集成度模组解决方案,抑或是采用集成了更多分离元器件的架构。

图1展示了测量心率信号的基本方法,它依赖于用光学方法从人体组织上提取的心率压力波。图1说明了光进入皮肤后传输的途径:由心率压力波引起的毛细血管舒张和收缩运动对由绿色LED注入人体组织的光信号进行了调制。接收到的信号因为通过了皮肤而被大大地衰减,它被一个光电管接收并送到电子子系统中去处理。源自脉搏的振幅调制信号被检测(过滤掉运动噪声)、分析和显示。

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图1 . 光学心率检测的运行原理

心率监测系统设计的一种基本方法采用了一种定制的的微控制器(MCU),它被用于控制外部LED驱动器的脉冲信号发生,并同时读取一个分离的光电管上的电流输出数据。已知光电管的电流输出必须转换为电压,输出给模拟到数字转换(A/D)单元,图2中的原理图说明了这类系统的基本原理。已知电流到电压转换器在光电管电流为0时产生一个等于VREF的电压,而随着电流的增加电压将下降。

用在心率系统中的电流脉冲通常在2mA到300mA之间,具体数值取决于被测的皮肤颜色,以及所期望的信号必须抵消阳光。阳光中的红外辐射透过皮肤组织时的衰减很小,这与期望采用的绿光LED发出的光线不同,所以它能够淹没绿光的信号,除非所采用的绿光非常强,或者添加一个昂贵的红外线阻断滤波器。在通常情况下,射入皮肤的绿色LED光线的强度,是阳光强度的0.1倍到3倍。由于人体组织的严重衰减作用,到达光电管的信号非常微弱,需要产生仅够使用的电流来实现合理的70-100dB信噪比(SNR),以便在即使是有完美的、无噪声运算放大器和A/D转换器的情况下来消除噪声。采用这种消噪的原因是在每秒25次的数据读取中,每次光电管都会接收到一定数量的电子。设计中所采用的光电管的大小在0.1 mm2到7 mm2之间。但是,当它大于1mm时就会因阳光的影响而出现不确定的返回值。

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图2. 用光电法获取心率数据所需的基本电子线路

如图2所示,在一个光电心率系统设计中,难以实现和成本很高的功能模块分别是:快速的、大电流的驱动LED的电压到电流转换器,用于光电管的电流到电压转换器,以及运行算法和对序列信号进行处理的MCU。一个可被设置到低至2mA的很低电流,但同时仍然能产生短至10μs的非常窄的光脉冲低噪声(75 - 100 dB SNR)300mA LED驱动器也是一个用分离器件实现起来非常昂贵的模块。

图2中所示的短至10μs的窄光脉冲支持系统去容忍运动和阳光,典型的方法是每秒25次采样率下的每次次的快速光测试,一次测量是在LED关闭的情况下完成的,而另一次则是在LED打开的情况下完成。计算得出的差值消除了环境光的影响,重要的是给出了对闪烁的背景光不敏感的期望的原始光信号测量值。

极短的光脉冲可以提供更强的光脉冲,可以比阳光的亮度更高,这也许是目前的解决方案并使PPG信号载波不被阳光信号所破坏的方法之一。如果阳光信号大于PPG载波,尽管它可以通过减法被消除,但是手臂运动会带来的难以消除的噪声。所以系统会使用一个低电流的LED驱动器和大面积的光电管对运动和阳光噪声进行补偿。

许多期望的心率检测感测功能可以通过预先的设计和集成,用仅仅一个器件来实现。将该项功能的大多数电路集成到一块芯片中,可实现相对较小的3 mm x 3 mm封装,这甚至可以把光电管自己集成于其中。

图3以Silicon Labs的Si118x光学传感器为例来说明电路原理,基于此器件可以相对方便地实现心率检测设计。工程师只需专注于设计的光学部分,其中包括电路板上各部分间的光学单元和将该系统如何与皮肤配合。

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图3. 一个只需要外部LED的集成化心率传感器

图3所示的方法可以实现高性能的心率检测解决方案,它并不是一些设计师所期望的小型化或高功效方案。 为了实现更小的解决方案,LED片芯和控制芯片必须被集成到同一个封装中,其中集成了所有的必需的功能,包括光学单元和可以改善LED输出的透镜。图4说明了这种集成度更高的解决方案,它基于Silicon Labs的Si117x光学传感器。

这种心率检测设计不需要额外的LED,因为LED和光电管都集成在模组内部了,而该模组可以直接安装在光学界面的下面,亦即诸如智能手表等可穿戴产品的后盖里面。这种颇具优势的方法使LED与光电管之间的距离短于分离器件设计,这种更短的距离支持极低功耗的运行,这是因为在穿透皮肤时的光损失更低。

集成多个LED也解决了LED与光电管之间的光泄漏问题,其结果是设计人员不必在印刷电路板上添加光阻隔离。不采取这种方法的结果是,用塑料或者泡沫插入物和印刷电路板上的特别铜层来处理隔离。

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图4. 一个高度集成的心率检测传感器模组集成了所有必须的元器件

当然,其中还有一款心率检测设计的开发人员不必去关心的部分:心率检测算法。这个寄附在主处理器上软件单元非常复杂,其原因是在用户锻炼或者进行运动时会发生信号变差的情况。最终用户的运动通常会产生其自身的信号,它们可能欺骗真正的心率信号,并在有些时候被错误地认作是心率节奏。

如果一家可穿戴产品的开发人员没有开发算法的资源,第三方供应商可以以软件授权交易的提供这种软件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光学传感器心率算法,它们可以在编译后运行在大多数处理器上。

当然,最终由设计师来决定各种心率检测应用中需要多高的集成度才合适, 设计人员能够用高集成度的模组化解决方案和购买算法授权去简化设计过程并加快产品上市。对于对光学感测有深入认识、同时时间及资源也颇为丰沛的开发人员,这可以选择使用分离元器件(传感器、光电管和镜头等等)及自己的系统集成,甚至还可以开发他们自己的心率检测算法。最终,当我们进行心率监测系统设计时,设计师可以选择全部靠自己去完成,或是全部从外部购买。

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