設計與實(shí)現一個(gè)光學(xué)心率測(HRM)系統(又稱(chēng)光電容積脈搏波技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)PPG)是一類(lèi)復雜的、涉及多個(gè)領(lǐng)域的項目。
設計與實(shí)現一個(gè)光學(xué)心率測(HRM)系統(又稱(chēng)光電容積脈搏波技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)PPG)是一類(lèi)復雜的、涉及多個(gè)領(lǐng)域的項目。設計要素包括人體工程學(xué) 、信號處理與過(guò)濾、光學(xué)和機械設計、低噪聲信號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)品添加心率監測功能，集成化也正在推動(dòng)心率監測應用中傳感器的成本不斷降低。目前，許多心率檢測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)、光電管檢測器和發(fā)光二極管等。這些模組支持更便捷的實(shí)現方式，可在將心率監測功能加入到可穿戴產(chǎn)品中時(shí)降低其成本和復雜性。
可穿戴產(chǎn)品的外觀(guān)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)，心率監測功能現在正在進(jìn)入到各種手腕佩戴產(chǎn)品中。光學(xué)感測技術(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計;心率檢測算法的精密度也已到達了一種新的水平，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應用外觀(guān)形態(tài)和應用場(chǎng)景也在不斷涌現，比如頭帶、體育與健身服裝、以及耳塞等。但是，可穿戴生理指標監測的*主要應用場(chǎng)景還將歸集于手腕。
沒(méi)有兩種心率監測應用是完全相同的，系統開(kāi)發(fā)人員必須考慮許多設計折中：如產(chǎn)品的舒適性、感測的精度、系統成本、功耗、陽(yáng)光影響、處理許多皮膚類(lèi)型、運動(dòng)影響、開(kāi)發(fā)時(shí)間和物理大小等等。所有這些設計因素都影響系統集成，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。
圖1展示了測量心率信號的基本方法，它依賴(lài)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)入皮膚后傳輸的途徑：由心率壓力波引起的毛 細 血 管 舒張和收縮運動(dòng)對由綠色LED注入人體組織的光信號進(jìn)行了調制。接收到的信號因為通過(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中去處理。源自脈搏的振幅調制信號被檢測(過(guò)濾掉運動(dòng)噪聲)、分析和顯示。
圖1 . 光學(xué)心率檢測的運行原理
心率監測系統設計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驅動(dòng)器的脈沖信號發(fā)生，并同時(shí)讀取一個(gè)分離的光電管上的電流輸出數據。已知光電管的電流輸出必須轉換為電壓，輸出給模擬到數字轉換(A/D)單元，圖2中的原理圖說(shuō)明了這類(lèi)系統的基本原理。已知電流到電壓轉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(zhù)電流的增加電壓將下降。
用在心率系統中的電流脈沖通常在2mA到300mA之間，具體數值取決于被測的皮膚顏色，以及所期望的信號必須抵消陽(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(xiàn)不同，所以它能夠淹沒(méi)綠光的信號，除非所采用的綠光非常強，或者添加一個(gè)昂貴的紅外線(xiàn)阻斷濾波器。在通常情況下，射入皮膚的綠色LED光線(xiàn)的強度，是陽(yáng)光強度的0.1倍到3倍。由于人體組織的嚴重衰減作用，到達光電管的信號非常微弱，需要產(chǎn)生僅夠使用的電流來(lái)實(shí)現合理的70-100dB信噪比(SNR)，以便在即使是有**的、無(wú)噪聲運算放大器和A/D轉換器的情況下來(lái)消除噪聲。采用這種消噪的原因是在每秒25次的數據讀取中，每次光電管都會(huì )接收到一定數量的電子。設計中所采用的光電管的大小在0.1 mm2到7 mm2之間。但是，當它大于1mm時(shí)就會(huì )因陽(yáng)光的影響而出現不確定的返回值。
圖2. 用光電法獲取心率數據所需的基本電子線(xiàn)路
如圖2所示，在一個(gè)光電心率系統設計中，難以實(shí)現和成本很高的功能模塊分別是：快速的、大電流的驅動(dòng)LED的電壓到電流轉換器，用于光電管的電流到電壓轉換器，以及運行算法和對序列信號進(jìn)行處理的MCU。一個(gè)可被設置到低至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驅動(dòng)器也是一個(gè)用分離器件實(shí)現起來(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去容忍運動(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試，一次測量是在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。計算得出的差值消除了環(huán)境光的影響，重要的是給出了對閃爍的背景光不敏感的期望的原始光信號測量值。
極短的光脈沖可以提供更強的光脈沖，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信號載波不被陽(yáng)光信號所破壞的方法之一。如果陽(yáng)光信號大于PPG載波，盡管它可以通過(guò)減法被消除，但是手臂運動(dòng)會(huì )帶來(lái)的難以消除的噪聲。所以系統會(huì )使用一個(gè)低電流的LED驅動(dòng)器和大面積的光電管對運動(dòng)和陽(yáng)光噪聲進(jìn)行補償。
許多期望的心率檢測感測功能可以通過(guò)預先的設計和集成，用僅僅一個(gè)器件來(lái)實(shí)現。將該項功能的大多數電路集成到一塊芯片中，可實(shí)現相對較小的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方便地實(shí)現心率檢測設計。工程師只需專(zhuān)注于設計的光學(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)現高性能的心率檢測解決方案，它并不是一些設計師所期望的小型化或高功效方案。 為了實(shí)現更小的解決方案，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。
這種心率檢測設計不需要額外的LED，因為L(cháng)ED和光電管都集成在模組內部了，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)勢的方法使LED與光電管之間的距離短于分離器件設計，這種更短的距離支持極低功耗的運行，這是因為在穿透皮膚時(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，其結果是設計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傳感器模組集成了所有必須的元器件
當然，其中還有一款心率檢測設計的開(kāi)發(fā)人員不必去關(guān)心的部分：心率檢測算法。這個(gè)寄附在主處理器上軟件單元非常復雜，其原因是在用戶(hù)鍛煉或者進(jìn)行運動(dòng)時(shí)會(huì )發(fā)生信號變差的情況。*終用戶(hù)的運動(dòng)通常會(huì )產(chǎn)生其自身的信號，它們可能欺騙真正的心率信號，并在有些時(shí)候被錯誤地認作是心率節奏。
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，第三方供應商可以以軟件授權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行在大多數處理器上。
當然，*終由設計師來(lái)決定各種心率檢測應用中需要多高的集成度才合適， 設計人員能夠用高集成度的模組化解決方案和購買(mǎi)算法授權去簡(jiǎn)化設計過(guò)程并加快產(chǎn)品上市。對于對光學(xué)感測有深入認識、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)及自己的系統集成，甚至還可以開(kāi)發(fā)他們自己的心率檢測算法。*終，當我們進(jìn)行心率監測系統設計時(shí)，設計師可以選擇全部靠自己去完成，或是全部從外部購買(mǎi)。