設(shè)計(jì)要求 - 基于可編程SoC設(shè)計(jì)的心率監(jiān)控器

　　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?。ù蠹s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?？紤]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)。現(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。可采用專用比較器模塊執(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。