基于可編程SoC設(shè)計(jì)的心率監(jiān)控器 - 全文

　　什么是心率監(jiān)控器？

　　心率監(jiān)控器是一款用于監(jiān)測(cè)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(dòng)、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(shè)備和某些醫(yī)院設(shè)備中，可診斷心動(dòng)過(guò)速和心律失常等心血管疾病。如今，許多OEM廠商都開(kāi)始支持基于智能手機(jī)互聯(lián)型及手持/配戴型健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

　　健身設(shè)備中的心率監(jiān)控器需求

　　全世界的人民都越來(lái)越重視健康和健身。加強(qiáng)體育鍛煉是保持健康的最常用方法之一，因?yàn)楹芏嗳税l(fā)現(xiàn)很難通過(guò)改變飲食習(xí)慣來(lái)促進(jìn)身體健康。在這種情況下，如果一個(gè)人想要堅(jiān)持有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中跟蹤心率能讓人們確保其健身活動(dòng)的安全性。一個(gè)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(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí)心率會(huì)增加，一個(gè)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(yùn)動(dòng)中記錄心率的另一個(gè)好處就是能夠評(píng)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(guān)的設(shè)備都內(nèi)置心率監(jiān)控器以及卡路里計(jì)算器。但是，更喜歡慢跑或散步的人們不愿借助機(jī)器輔助鍛煉，那么他們就需要有一款便攜式手持設(shè)備來(lái)監(jiān)控他們的心率。

　　心臟跳動(dòng)過(guò)程中的血液流動(dòng)行為

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

　　測(cè)量心率的一般位置是在胳膊肘、手腕、頸部、膝部后區(qū)（腘動(dòng)脈）和胸部（通常使用聽(tīng)診器）。心率監(jiān)控器可用于在這些位置測(cè)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(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，就無(wú)法在這些位置監(jiān)控心率。但另一方面，心跳其實(shí)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(jì)算卡路里

　　鍛煉中消耗的卡路里取決于整個(gè)鍛煉過(guò)程中的平均心率和鍛煉時(shí)長(zhǎng)?？防镉?jì)算中使用的其它元素為常量。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(xì)介紹了如何根據(jù)心率計(jì)算消耗的卡路里。

　　男性消耗卡路里的準(zhǔn)確計(jì)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(shí)間（分） / 4.184—（A）

　　女性消耗卡路里的準(zhǔn)確計(jì)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(shí)間（分）/ 4.184 --（B）

　　開(kāi)始計(jì)算前應(yīng)在設(shè)備中手動(dòng)輸入人的年齡和體重。

　　心率監(jiān)測(cè)中的光電容積脈搏波技術(shù)

　　根據(jù)心跳速率，通過(guò)指尖或耳垂的血流量會(huì)有所不同。因此，我們需要某種機(jī)制來(lái)檢測(cè)血流量的變化，從而確定心臟跳動(dòng)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(xué)收發(fā)器。當(dāng)紅外線等光輻射通過(guò)手指或耳垂血管時(shí)，從手指或耳垂處接收到的信號(hào)具有周期性，并根據(jù)血液流動(dòng)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(yīng)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(chǎng)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(dǎo)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(lì)源為常量。當(dāng)紅外收發(fā)器放置位置的血流量發(fā)生改變時(shí)，反射回來(lái)的光量也會(huì)發(fā)生變化。這種光學(xué)收發(fā)器的輸出變化將心跳轉(zhuǎn)化到電子領(lǐng)域中，這就需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)程。最后，我們還需要采用數(shù)字邏輯來(lái)計(jì)算每分鐘的脈搏次數(shù)，進(jìn)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(dāng)選擇手指作為心跳測(cè)量的來(lái)源時(shí)，那么紅外反射法往往就是最好的選擇。但是，這種方法對(duì)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(dāng)紅外收發(fā)器在連接耳朵處的血流量增加時(shí)，光電晶體管接收到的光量就會(huì)減少（即，與反射法的行為相反）。

　　圖2：紅外傳輸法

　　設(shè)計(jì)要求

　　1.紅外發(fā)射器包括能持續(xù)發(fā)射特定波長(zhǎng)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(cè)Vbe的變化，光電晶體管的集電極需要通過(guò)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(duì)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(duì)），因此需要放大信號(hào)，使其達(dá)到可測(cè)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(dá)到可測(cè)量的范圍。

　　圖3：紅外發(fā)射器/接收器

　　4. 設(shè)計(jì)這種設(shè)備時(shí)需要考慮各種可能的噪聲源，包括測(cè)量（即身體接觸）噪聲、肌電圖（EMG）噪聲（肌肉收縮）和運(yùn)動(dòng)影響（身體運(yùn)動(dòng)時(shí)常見(jiàn)的情況）。這些高頻來(lái)源的噪聲必須使用一階或二階低通濾波器來(lái)進(jìn)行消除。因此，應(yīng)用需要二階低通濾波器。考慮到放大級(jí)，我們認(rèn)為需要兩級(jí)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(jí)聯(lián)兩個(gè)增益分別為250和200的放大器。因此，兩個(gè)運(yùn)算放大器可用來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)二階低通濾波器，總增益可達(dá)50，000。

　　最后，要生成方波列，計(jì)算脈搏數(shù)量，我們需要將兩級(jí)放大器的輸出饋送給具有適當(dāng)閾值的比較器。請(qǐng)注意，該適當(dāng)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(jì)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(chǔ)身高體重等個(gè)人數(shù)據(jù)，從而能夠計(jì)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(jí)管和光電晶體管對(duì)）。

　　2.3個(gè)外部運(yùn)算放大器：2個(gè)用于濾波和放大級(jí)，另一個(gè)用作比較器。

　　3.1個(gè)MCU，可計(jì)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(qū)動(dòng)段式LCD，那么還需要采用外部芯片。

　　4.1個(gè)段式LCD，用以顯示心率和消耗的卡路里。

　　因此，我們需要一個(gè)芯片進(jìn)行心率感應(yīng)，3個(gè)外部運(yùn)算放大器、1個(gè)MCU、1個(gè)芯片來(lái)連接帶段式LCD的MCU以及一個(gè)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(yīng)用中所需的運(yùn)算放大器以及MCU和LCD接口。這種可編程片上系統(tǒng)設(shè)有低功耗ARM Cortex-M0內(nèi)核，并完美結(jié)合可編程混合信號(hào)硬件IP，能提供靈活的可擴(kuò)展低功耗混合信號(hào)架構(gòu)，從而充分滿足這種應(yīng)用類型的模擬I/O、信號(hào)處理和實(shí)時(shí)計(jì)算要求。

　　圖4顯示了如何實(shí)現(xiàn)兩種類型的心率監(jiān)控器。對(duì)于可提供增益為50，000的兩級(jí)放大器以及LPF而言，我們可使用專用運(yùn)算放大器，每個(gè)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(fù)電壓輸入被剪切，只有正波形能通過(guò)放大和濾波級(jí)。光電晶體管的輸出通過(guò)HPF（高通濾波器）截止為0.7 Hz，從而消除DC波動(dòng)?，F(xiàn)在這些模擬信號(hào)調(diào)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。

　　放大級(jí)的輸出必須饋送給比較器，以便生成其頻率與心臟跳動(dòng)速率成正比的方波信號(hào)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(zhuǎn)換器）的參考。此相同電壓源可饋送至比較器模塊的負(fù)端，以便檢測(cè)出血流量/心跳的變化。

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

　　來(lái)自比較器模塊的脈沖可饋送給計(jì)數(shù)器模塊（PSoC 4中專用的TCPWM模塊），從而計(jì)算每分鐘出現(xiàn)的脈搏數(shù)。一旦計(jì)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(jì)算消耗的卡路里。該系統(tǒng)可通過(guò)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(guān)模式”或正常的“PWM模式”下工作［8］。

　　卡路里的計(jì)算需要輸入年齡、體重等具體參數(shù)。在過(guò)去，所用設(shè)備采用機(jī)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(fèi)者更喜歡使用直觀的電容式感應(yīng)觸摸按鍵來(lái)取代機(jī)械按鍵。此外，采用電容式按鍵，還可支持卡路里計(jì)算/心率監(jiān)測(cè)的啟動(dòng)和停止。電容式感應(yīng)（CapSense）可支持最多35個(gè)按鍵，并具備較長(zhǎng)的接近感應(yīng)和防水操作功能，可實(shí)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(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素?？删幊唐舷到y(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)低功耗可行性，并在沒(méi)有執(zhí)行任何操作的情況下讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。有效的功耗模式選項(xiàng)包括工作、休眠、深度休眠、冬眠及關(guān)機(jī)模式等，從而平衡系統(tǒng)響應(yīng)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(jì)算出卡路里和心率后就讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式。比較器的輸出可作為喚醒源，一旦設(shè)備從休眠中喚醒就能執(zhí)行所有計(jì)算。計(jì)算完成后，設(shè)備可再次回到休眠狀態(tài)。即使設(shè)備處于休眠或深度休眠的模式下，PSoC 4中的段式LCD組件也能繼續(xù)驅(qū)動(dòng)段式LCD。由于設(shè)備采用電池供電，因此這種低功耗技術(shù)的使用能幫助OEM廠商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特色化，延長(zhǎng)電池使用壽命。