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心率感测设计的系统集成考虑【威尼斯人彩票投注平台】

作者:威尼斯人彩票官网|威尼斯人彩票投注平台  2020-08-14

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设计与构建一个光学心率测(HRM)系统(又称光电容积脉搏波技术,全称PPG)是一类简单的、牵涉到多个领域的项目。设计要素还包括人体工程学、信号处理与过滤器、光学和机械设计、低噪声信号接管电路以及低噪声电流脉冲发生器。可穿着电子产品制造商正在大大为其保健与健美产品加到心率监测功能,集成化也正在推展心率监测应用于中传感器的成本大大减少。目前,许多心率检测传感器都在其高度构建的模组中包括了一些分离出来的元器件,如仿真前端(AFE)、光电管检测器和发光二极管等。

这些模组反对更加便利的构建方式,可在将心率监测功能重新加入到可穿着产品中时减少其成本和复杂性。可穿着产品的外观形态也在渐渐转变。

在胸带早已有效地服务了保健与健美市场多年的同时,心率监测功能现在正在转入到各种手腕配戴产品中。光学感测技术与高性能、低功耗处理器等方面的技术变革,早已促成手腕配戴这种外形可限于于许多设计;心率检测算法的精密度也已抵达了一种新的水平,从而可以被使用手腕佩带外形的产品所拒绝接受。

其它新的可穿着感测应用于外观形态和应用于场景也在不断涌现,比如头带、体育与健美服装、以及耳塞等。但是,可穿着生理指标监测的最主要应用于场景还将归集于手腕。没两种心率监测应用于是完全相同的,系统开发人员必需考虑到许多设计折衷:如产品的舒适性、感测的精度、系统成本、功耗、阳光影响、处置许多皮肤类型、运动影响、研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,是使用高集成度模组解决方案,抑或是使用构建了更好分离出来元器件的架构。图1展出了测量心率信号的基本方法,它依赖用光学方法从人体的组织上萃取的心率压力波。图1说明了光转入皮肤后传输的途径:由心率压力波引发的毛细血管血管收缩和膨胀运动对由绿色LED流经人体的组织的光信号展开了调制。

接管到的信号因为通过了皮肤而被大大地波动,它被一个光电管接管并送往电子子系统中去处置。源于脉搏的振幅调制信号被检测(过滤器掉运动噪声)、分析和表明。

图1.光学心率检测的运营原理心率监测系统设计的一种基本方法使用了一种自定义的的微控制器(MCU),它被用作掌控外部LED驱动器的脉冲信号再次发生,并同时加载一个分离出来的光电管上的电流输入数据。未知光电管的电流输入必需切换为电压,输入给仿真到数字切换(A/D)单元,图2中的原理图说明了这类系统的基本原理。

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未知电流到电压转换器在光电管电流为0时产生一个相等VREF的电压,而随着电流的减少电压将上升。用在心率系统中的电流脉冲一般来说在2mA到300mA之间,明确数值各不相同被测的皮肤颜色,以及所希望的信号必需抵销阳光。阳光中的红外电磁辐射利用皮肤的组织时的波动较小,这与希望使用的绿光LED收到的光线有所不同,所以它需要水淹绿光的信号,除非所使用的绿光十分强劲,或者加到一个便宜的红外线切断滤波器。

在一般来说情况下,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。由于人体的组织的相当严重波动起到,抵达光电管的信号十分黯淡,必须产生仅够用于的电流来构建合理的70-100dB信噪比(SNR),以便在即使是有极致的、无噪声运算放大器和A/D转换器的情况下来避免噪声。使用这种消噪的原因是在每秒25次的数据加载中,每次光电管都会接管到一定数量的电子。

设计中所使用的光电管的大小在0.1mm2到7mm2之间。但是,当它小于1mm时就不会因阳光的影响而经常出现不确认的返回值。

图2.用光电法提供心率数据所需的基本电子线路如图2右图,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:较慢的、大电流的驱动LED的电压到电流转换器,用作光电管的电流到电压转换器,以及运营算法和对序列信号展开处置的MCU。一个可被设置到较低至2mA的很低电流,但同时依然能产生较短至10μs的十分较宽的光脉冲低噪声(75-100dBSNR)300mALED驱动器也是一个用分离出来器件构建一起十分便宜的模块。图2中右图的较短至10μs的较宽光脉冲支持系统去忽视运动和阳光,典型的方法是每秒25次比特率下的每次次的较慢光测试,一次测量是在LED重开的情况下已完成的,而另一次则是在LED关上的情况下已完成。

计算出来得出结论的差值避免了环境光的影响,最重要的是得出了对闪光的背景光不脆弱的希望的完整光信号测量值。很短的光脉冲可以获取更加强劲的光脉冲,可以比阳光的亮度更高,这或许是目前的解决方案并使PPG信号载波不被阳光信号所毁坏的方法之一。如果阳光信号小于PPG载波,尽管它可以通过除法被避免,但是手臂运动会带给的无法避免的噪声。

所以系统不会用于一个较低电流的LED驱动器和大面积的光电管对运动和阳光噪声展开补偿。许多希望的心率检测感测功能可以通过预先的设计和构建,用意味着一个器件来构建。将该项功能的大多数电路构建到一块芯片中,可实现比较较小的3mmx3mmPCB,这甚至可以把光电管自己构建于其中。

图3以SiliconLabs的Si118x光学传感器为例来解释电路原理,基于此器件可以比较便利地构建心率检测设计。工程师只需专心于设计的光学部分,其中还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因应。

图3.一个只必须外部LED的集成化心率传感器图3右图的方法可以构建高性能的心率检测解决方案,它并不是一些设计师所希望的小型化或低功效方案。为了构建更加小的解决方案,LED片芯和掌控芯片必需被构建到同一个PCB中,其中构建了所有的必须的功能,还包括光学单元和可以提高LED输入的透镜。图4说明了这种集成度更高的解决方案,它基于SiliconLabs的Si117x光学传感器。

这种心率检测设计不必须额外的LED,因为LED和光电管都构建在模组内部了,而该模组可以必要加装在光学界面的下面,亦即诸如智能手表等可穿着产品的后盖里面。这种极具优势的方法使LED与光电管之间的距离较短于分离出来器件设计,这种更加较短的距离反对近于低功耗的运营,这是因为在击穿皮肤时的光损失更加较低。构建多个LED也解决问题了LED与光电管之间的光外泄问题,其结果是设计人员不用在印刷电路板上加到光隔绝离。

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不采行这种方法的结果是,用塑料或者泡沫插入物和印刷电路板上的尤其铜层来处置隔绝。图4.一个高度构建的心率检测传感器模组构建了所有必需的元器件当然,其中还有一款心率检测设计的开发人员不用去关心的部分:心率检测算法。这个寄附在主处理器上软件单元非常复杂,其原因是在用户磨练或者展开运动时会再次发生信号变差的情况。

最终用户的运动一般来说不会产生其自身的信号,它们有可能愚弄确实的心率信号,并在有些时候被错误地视作是心率节奏。如果一家可穿着产品的开发人员没研发算法的资源,第三方供应商可以以软件许可交易的获取这种软件。

SiliconLabs也获取用作其Si117x/8x光学传感器心率算法,它们可以在编译器后运营在大多数处理器上。当然,最后由设计师来要求各种心率检测应用于中必须多低的集成度才适合,设计人员需要用高集成度的模组化解决方案和出售算法许可去修改设计过程并减缓产品上市。对于对光学感测有了解了解、同时时间及资源也极为充沛的开发人员,这可以自由选择用于分离出来元器件(传感器、光电管和镜头等等)及自己的系统集成,甚至还可以研发他们自己的心率检测算法。最后,当我们展开心率监测系统设计时,设计师可以自由选择全部靠自己去已完成,或是全部从外部出售。

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本文来源:威尼斯人彩票官网-www.theclaymonet.com

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