采用可編程SoC設計心率監(jiān)控器

什么是心率監(jiān)控器?

心率監(jiān)控器是一款用于監(jiān)測人體心跳速率的器件。心率的單位是bpm(每分鐘心跳數(shù))。人體的心跳速率根據(jù)其日常身體活動、睡眠和基本健康狀況的不同而有所差別。

心率監(jiān)控器通常用于健身設備和某些醫(yī)院設備中，可診斷心動過速[1]和心律失常[2]等心血管疾病。如今，許多OEM廠商都開始支持基于智能手機互聯(lián)型及手持/配戴型健康監(jiān)測產(chǎn)品。

健身設備中的心率監(jiān)控器需求

全世界的人民都越來越重視健康和健身。加強體育鍛煉是保持健康的最常用方法之一，因為很多人發(fā)現(xiàn)很難通過改變飲食習慣來促進身體健康。在這種情況下，如果一個人想要堅持有規(guī)律的運動和鍛煉，那就最好能夠明白心率監(jiān)控如此必要的原因。

在體育運動中跟蹤心率能讓人們確保其健身活動的安全性。一個人在休息狀態(tài)下的正常心率為每分鐘60到100次。但是，人體在進行體育運動時心率會增加，一個人所能承受的最大心率因年齡而異，年齡越大，最大心率就越低[3].在運動中記錄心率的另一個好處就是能夠評估人們的健康改善狀況。

此外，很多用戶也想要知道他們一天中能消耗多少卡路里。健身房里大多數(shù)健身相關的設備都內(nèi)置心率監(jiān)控器以及卡路里計算器。但是，更喜歡慢跑或散步的人們不愿借助機器輔助鍛煉，那么他們就需要有一款便攜式手持設備來監(jiān)控他們的心率。

心臟跳動過程中的血液流動行為

心肌的收縮與舒張使血液能夠流進和流出心臟。在每個心動周期中，心臟中稱為竇房結的一組組織會產(chǎn)生電脈沖擴散到整個心臟，從而引起心肌有節(jié)律地收縮和舒張。在每個心動周期中，血管也會搏動，從而實現(xiàn)血液在人體內(nèi)各個部位的流動。

測量心率的一般位置是在胳膊肘、手腕、頸部、膝部后區(qū)(腘動脈)和胸部(通常使用聽診器)。心率監(jiān)控器可用于在這些位置測量心跳。但是，很多心率監(jiān)控器體積大，難以攜帶，如果身體有復雜的運動，就無法在這些位置監(jiān)控心率。但另一方面，心跳其實也可以在手指尖和耳垂底部等其它任何部位觸摸到，這就為便攜式心率監(jiān)控器的推出提供了靈活性。

根據(jù)心率計算卡路里

鍛煉中消耗的卡路里取決于整個鍛煉過程中的平均心率和鍛煉時長?？防镉嬎阒惺褂玫钠渌貫槌Ａ?。因此，便攜式心率監(jiān)控器也能提供顯示消耗卡路里的功能。

下面列出的方程式[4]詳細介紹了如何根據(jù)心率計算消耗的卡路里。

男性消耗卡路里的準確計算公式(千卡)：

消耗的卡路里={[年齡(年)x 0.2017]+[體重(公斤)x 0.1988]+(每分鐘心跳數(shù)x 0.6309)- 55.0969}x鍛煉持續(xù)時間(分)/ 4.184—(A)

女性消耗卡路里的準確計算公式(千卡)：

消耗的卡路里= {[年齡(年)x 0.074]+[體重(公斤)x 0.1263]+(每分鐘心跳數(shù)x 0.4472)- 20.4022} x鍛煉持續(xù)時間(分)/ 4.184 ——(B)

開始計算前應在設備中手動輸入人的年齡和體重。

根據(jù)心跳速率，通過指尖或耳垂的血流量會有所不同。因此，我們需要某種機制來檢測血流量的變化，從而確定心臟跳動的速率。

監(jiān)控心率最常用的方法之一就是采用內(nèi)置IR發(fā)射器和接收器的光學收發(fā)器。當紅外線等光輻射通過手指或耳垂血管時，從手指或耳垂處接收到的信號具有周期性，并根據(jù)血液流動節(jié)律和血液的吸收性而發(fā)生變化。(在一般情況下，人體血液能輕松反射射入的紅外線光波。)這種方法稱為光電容積脈搏波[5].

光電容積脈搏波有兩種類型：傳輸法與反射法，且均采用基于光感應位置的紅外波。

類型一：紅外反射法

采用IR LED和光電二極管/光電晶體管的眾多紅外收發(fā)器芯片，可在市場上滿足心率監(jiān)控器系統(tǒng)的要求[3]，而光電二極管/光電晶體管的傳導則根據(jù)反射到其上的光量不同而產(chǎn)生變化。

假定IR LED的激勵源為常量。當紅外收發(fā)器放置位置的血流量發(fā)生改變時，反射回來的光量也會發(fā)生變化。這種光學收發(fā)器的輸出變化將心跳轉化到電子領域中，這就需要經(jīng)過信號調節(jié)過程。最后，我們還需要采用數(shù)字邏輯來計算每分鐘的脈搏次數(shù)，進而得出以bpm(每分鐘心跳數(shù))為單位的心率。

圖1：紅外反射法

類型二：紅外傳輸法

當選擇手指作為心跳測量的來源時，那么紅外反射法往往就是最好的選擇。但是，這種方法對在耳垂位置放置類似的器件并不適合。因此，我們必須在耳垂上采用夾子類的裝置將心率監(jiān)控器放置在固定位置，例如放置在口袋中。在此情況下，夾子的一端連接耳垂，能持續(xù)獲得IR LED，而夾子另一端(在耳垂的另一端)則能控制光電二極管/光電晶體管。這樣，當紅外收發(fā)器在連接耳朵處的血流量增加時，光電晶體管接收到的光量就會減少(即，與反射法的行為相反)。

圖2：紅外傳輸法

設計要求

1.紅外發(fā)射器包括能持續(xù)發(fā)射特定波長的紅外波的IR LED.

2.紅外接收器包含光電晶體管，其基極-發(fā)射極電壓(Vbe)根據(jù)其獲得的光量而發(fā)生變化。要檢測Vbe的變化，光電晶體管的集電極需要通過電阻將電壓拉至5V(如圖3所示)。[6]

3.由于紅外接收器輸出的變化相對于血流量的變化而言非常小(大約介于50-70uV之間，具體取決于所用的二極管晶體管對)，因此需要放大信號，使其達到可測量的電壓范圍(近似V的水平)。所以，放大器增益必須為50，000的水平，才能讓電壓達到可測量的范圍。

圖3：紅外發(fā)射器/接收器

4.設計這種設備時需要考慮各種可能的噪聲源，包括測量(即身體接觸)噪聲、肌電圖(EMG)噪聲(肌肉收縮)和運動影響(身體運動時常見的情況)。這些高頻來源的噪聲必須使用一階或二階低通濾波器來進行消除。因此，應用需要二階低通濾波器?？紤]到放大級，我們認為需要兩級放大器和二階低通濾波器。

5.如前所述，獲得50，000的增益需要級聯(lián)兩個增益分別為250和200的放大器。因此，兩個運算放大器可用來設計一個二階低通濾波器，總增益可達50，000.

最后，要生成方波列，計算脈搏數(shù)量，我們需要將兩級放大器的輸出饋送給具有適當閾值的比較器。請注意，該適當閾值取決于所用的紅外發(fā)射器和接收器。

現(xiàn)在，比較器能生成一系列與心跳相同周期的脈沖。我們要把該輸出饋送至數(shù)字模塊或MCU(微控制器單元)，從而計算每分鐘脈搏數(shù)，并在LCD上顯示所得到的輸出。此外，MCU還要存儲身高體重等個人數(shù)據(jù)，從而能夠計算消耗的卡路里。

從上面的描述中我們可以看到，我們需要：

1.心率傳感器(紅外二級管和光電晶體管對)。

2.3個外部運算放大器：2個用于濾波和放大級，另一個用作比較器。

3.1個MCU，可計算心率和消耗的卡路里，并控制顯示器單元(段式LCD)。如果MCU不能直接驅動段式LCD，那么還需要采用外部芯片。

4.1個段式LCD，用以顯示心率和消耗的卡路里。

因此，我們需要一個芯片進行心率感應，3個外部運算放大器、1個MCU、1個芯片來連接帶段式LCD的MCU以及一個段式LCD.賽普拉斯推出的PSoC 4等單部低成本可編程片上系統(tǒng)可取代本應用中所需的運算放大器以及MCU和LCD接口。這種可編程片上系統(tǒng)設有低功耗ARM Cortex-M0內(nèi)核，并完美結合可編程混合信號硬件IP，能提供靈活的可擴展低功耗混合信號架構，從而充分滿足這種應用類型的模擬I/O、信號處理和實時計算要求。

圖4顯示了如何實現(xiàn)兩種類型的心率監(jiān)控器。對于可提供增益為50,000的兩級放大器以及LPF而言，我們可使用專用運算放大器，每個放大器加濾波器的增益為250或200。由于輸入電壓范圍限制在0到Vdda(模擬供電電壓，如5V)，因此負電壓輸入被剪切，只有正波形能通過放大和濾波級。光電晶體管的輸出通過HPF(高通濾波器)截止為0.7 Hz，從而消除DC波動?，F(xiàn)在這些模擬信號調節(jié)模塊的輸出電壓范圍介于0到1.75V((35 uV) x 50000增益=1.75V)之間。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/270927.htm

放大級的輸出必須饋送給比較器，以便生成其頻率與心臟跳動速率成正比的方波信號列?？刹捎脤Ｓ帽容^器模塊執(zhí)行此操作。將1.024V的高精度內(nèi)電壓作為ADC(模數(shù)轉換器)的參考。此相同電壓源可饋送至比較器模塊的負端，以便檢測出血流量/心跳的變化。

心率監(jiān)控器的電路圖

圖4：心率監(jiān)控器的電路圖(屏幕截圖源自PSoC Creator)

來自比較器模塊的脈沖可饋送給計數(shù)器模塊(PSoC 4中專用的TCPWM模塊)，從而計算每分鐘出現(xiàn)的脈搏數(shù)。一旦計算出心跳，內(nèi)部ARM Cortex M0內(nèi)核就可用上述方程式A和B給出的方法計算消耗的卡路里。該系統(tǒng)可通過專用段式LCD模塊靈活顯示心率以及消耗的卡路里，且該段式LCD模塊能在“數(shù)字相關模式”或正常的“PWM模式”下工作[8]。

卡路里的計算需要輸入年齡、體重等具體參數(shù)。在過去，所用設備采用機械按鍵，用戶必須按下按鍵才能增減段式LCD上顯示的年齡、體重值。而現(xiàn)在，大多數(shù)消費者更喜歡使用直觀的電容式感應觸摸按鍵來取代機械按鍵。此外，采用電容式按鍵，還可支持卡路里計算/心率監(jiān)測的啟動和停止。電容式感應(CapSense)可支持最多35個按鍵，并具備較長的接近感應和防水操作功能，可實現(xiàn)低功耗、高掃描速度和高信噪比(SNR)。

此外，功耗也是心率監(jiān)控器的一個重要設計考慮因素?？删幊唐舷到y(tǒng)必須實現(xiàn)低功耗可行性，并在沒有執(zhí)行任何操作的情況下讓系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。有效的功耗模式選項包括工作、休眠、深度休眠、冬眠及關機模式等，從而平衡系統(tǒng)響應能力和功耗效率。

由于心跳速率肯定在72 bpm或每秒鐘1.2次左右，因此我們能在計算出卡路里和心率后就讓系統(tǒng)進入休眠模式。比較器的輸出可作為喚醒源，一旦設備從休眠中喚醒就能執(zhí)行所有計算。計算完成后，設備可再次回到休眠狀態(tài)。即使設備處于休眠或深度休眠的模式下，PSoC4中的段式LCD組件也能繼續(xù)驅動段式LCD。由于設備采用電池供電，因此這種低功耗技術的使用能幫助OEM廠商實現(xiàn)產(chǎn)品特色化，延長電池使用壽命。