設(shè)計光學(xué)心率監(jiān)測 (HRM) 系統(tǒng)，也稱為光電容積描記術(shù) (PPG)，是一項復(fù)雜且多學(xué)科的工作。設(shè)計因素包括人體工程學(xué)、信號處理和濾波、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計、低噪聲信號接收電路和低噪聲電流脈沖創(chuàng)建。

可穿戴設(shè)備制造商越來越多地將 HRM 功能添加到他們的健康和健身產(chǎn)品中，這有助于降低 HRM 應(yīng)用中使用的傳感器的成本。許多 HRM 傳感器現(xiàn)在將光電探測器和 LED 等分立元件組合成高度集成的模塊。這些模塊實現(xiàn)了更簡單的實施，從而降低了將 HRM 添加到可穿戴產(chǎn)品的成本和復(fù)雜性。

可穿戴形式因素也在穩(wěn)步變化。雖然胸帶多年來一直有效地服務(wù)于健康和健身市場，但 HRM 現(xiàn)在正在遷移到基于手腕的可穿戴設(shè)備。光學(xué)傳感技術(shù)和高性能、低功耗處理器的進(jìn)步使基于手腕的外形尺寸適用于許多設(shè)計。HRM 算法也達(dá)到了手腕形狀因素可以接受的復(fù)雜程度。

其他新的可穿戴傳感形式因素和位置正在出現(xiàn)——例如頭帶、運動和健身服裝以及耳塞。然而，大多數(shù)可穿戴生物識別傳感將在手腕上完成。

HRM 設(shè)計基礎(chǔ)

沒有兩個 HRM 應(yīng)用程序是相同的。系統(tǒng)開發(fā)人員必須考慮許多設(shè)計權(quán)衡：最終用戶的舒適度、傳感精度、系統(tǒng)成本、功耗、陽光抑制、如何處理多種皮膚類型、運動抑制、開發(fā)時間和物理尺寸。這些設(shè)計考慮因素會影響系統(tǒng)集成選擇：是使用高度集成的模塊還是包含更多分立組件的架構(gòu)。

圖 1：光學(xué)心率監(jiān)測的操作原理。

圖 1 顯示了測量心率信號的基本原理，這取決于從組織中光學(xué)提取的心率壓力波。它顯示了光線進(jìn)入皮膚的傳播路徑。由心率壓力波引起的毛細(xì)血管的擴(kuò)張和收縮會調(diào)節(jié)由綠色 LED 注入組織的光信號。

接收到的信號會因穿過皮膚而大大衰減，并被光電二極管拾取并發(fā)送到電子子系統(tǒng)進(jìn)行處理。檢測、分析和顯示由脈沖引起的幅度調(diào)制。

HRM 系統(tǒng)設(shè)計的基本方法是使用定制編程的現(xiàn)成 MCU，它控制外部 LED 驅(qū)動器的脈沖并同時讀取分立光電二極管的電流輸出。請注意，光電二極管的電流輸出必須轉(zhuǎn)換為電壓以驅(qū)動模數(shù) (A/D) 模塊。圖 2中的示意圖 顯示了這種系統(tǒng)的概要。

圖 2：捕獲光學(xué)心率所需的基本電子設(shè)備。

在這里，值得注意的是，I-to-V 轉(zhuǎn)換器在 0 光電二極管電流下產(chǎn)生等于 V REF 的電壓，并且電壓隨著電流的增加而降低。

HRM 構(gòu)建模塊

心率系統(tǒng)中通常使用的電流脈沖介于 2 mA 和 300 mA 之間，具體取決于對象皮膚的顏色和所需信號需要與之競爭的陽光強度。與所需的綠色 LED 光不同，陽光中的紅外 (IR) 輻射通過皮膚組織幾乎沒有衰減，并且可以淹沒所需的信號，除非綠光非常強或除非添加了昂貴的 IR 阻擋濾光片。

一般來說，進(jìn)入皮膚的綠色 LED 光的強度在陽光強度的 0.1 到 3 倍之間。由于組織的嚴(yán)重衰減，到達(dá)光電二極管的信號非常微弱，并且產(chǎn)生的電流剛好足以實現(xiàn)合理的信噪比 (SNR) — 70 到 100 dB — 由于散粒噪聲，即使在完美、無噪聲的運算放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器的存在。

散粒噪聲是由于在 25 Hz 下發(fā)生的每個讀數(shù)接收到的電子數(shù)量有限。設(shè)計中使用的光電二極管尺寸介于 0.1 mm 2 和 7 mm 2之間。然而，在 1 毫米以上，由于陽光的影響，收益遞減。

如圖 2所示，在光學(xué)心率系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)困難且成本高昂的功能塊是驅(qū)動 LED 的快速、高電流 V-to-I 轉(zhuǎn)換器，這是一種用于光電二極管，以及 MCU 中的可靠算法，可在主機(jī)控制下對脈沖進(jìn)行排序。低噪聲 LED 驅(qū)動器 — 具有 300 mA 和 75–100 dB SNR — 可以設(shè)置為低至 2 mA 的極低電流，同時仍能產(chǎn)生低至 10 μs 的非常窄的光脈沖，這是使用離散運算實現(xiàn)的昂貴模塊安培。

如圖 2所示，低至 10 μs 的窄光脈沖使系統(tǒng)能夠承受運動和陽光。通常，對每個 25-Hz 樣本進(jìn)行兩次光測量。一項測量是在 LED 關(guān)閉的情況下進(jìn)行的，一項是在 LED 開啟的情況下進(jìn)行的。計算出的差異消除了環(huán)境光的影響，并提供了對閃爍的背景光不敏感的所需原始光信號測量值。

光脈沖的短持續(xù)時間既允許也需要相對強的光脈沖。必須保持比可能存在的陽光信號更亮，并且不允許 PPG 信號載體被陽光信號相形見絀。

如果陽光信號大于 PPG 載波，那么盡管可以通過減法將其去除，但信號可能非常大，以至于外部調(diào)制(例如擺動手臂進(jìn)出陰影)會產(chǎn)生難以去除的偽影。因此，使用低電流 LED 驅(qū)動器和大型光電二極管的系統(tǒng)在強光情況下可能會受到運動偽影的嚴(yán)重影響。

分立式與集成式設(shè)計

許多所需的 HRM 傳感功能都可以預(yù)先設(shè)計并集成到單個設(shè)備中。將大部分功能封裝到一塊硅片中，可以形成一個相對較小的 3 x 3 毫米封裝，甚至可以集成光電二極管本身。

圖 3 顯示了帶有光學(xué)傳感器的示意圖示例。這種 HRM 設(shè)計相對容易實現(xiàn)。您只需要關(guān)注設(shè)計的光學(xué)部分，其中包括電路板上部件之間的光學(xué)阻擋以及系統(tǒng)與皮膚的耦合。

圖 3：集成心率傳感器僅需要外部 LED。

雖然圖 3中所示的方法 產(chǎn)生了高性能 HRM 解決方案，但它并不像某些設(shè)計人員所希望的那樣小或高能效。為了實現(xiàn)更小的解決方案，LED 管芯和控制硅片必須集成到一個封裝中，該封裝包含所有基本功能，包括光阻擋和提高 LED 輸出的透鏡。圖 4 說明了這種更加集成的方法，基于 Silicon Labs Si117x 光學(xué)傳感器。

圖 4：高度集成的 HRM 傳感器模塊，包含所有基本組件。

此 HRM 設(shè)計不需要外部 LED。LED 和光電二極管都在模塊內(nèi)部，可以安裝在智能手表等可穿戴產(chǎn)品背面的光學(xué)端口正下方。與分立設(shè)計相比，這種方法可以縮短 LED 和光電二極管之間的距離。由于穿過皮膚的光損耗較低，因此縮短的距離允許在極低的功率下運行。

集成 LED 還解決了 LED 和光電二極管之間的漏光問題，因此設(shè)計人員不必在 PCB 上添加光阻。這種方法的替代方法是使用塑料或泡沫插入物和 PCB 上的特殊銅層來處理阻塞。

開發(fā)人員不一定需要創(chuàng)建 HRM 設(shè)計的另一部分：HRM 算法。由于通常在運動和運動期間發(fā)生的信號損壞，駐留在主機(jī)處理器上的這個軟件塊非常復(fù)雜。最終用戶的運動通常會產(chǎn)生自己的信號，這些信號會欺騙實際的心率信號，有時會被錯誤地識別為心率跳動。

如果可穿戴開發(fā)人員或制造商沒有資源來開發(fā)算法，第三方供應(yīng)商會在許可的基礎(chǔ)上提供此軟件。由設(shè)計人員決定適合 HRM 應(yīng)用程序的集成程度。開發(fā)人員可以通過使用許可算法選擇高度集成的基于模塊的方法來簡化設(shè)計過程并加快上市時間。

擁有深入光學(xué)傳感專業(yè)知識、時間和資源的開發(fā)人員可能會選擇使用單獨的組件——傳感器、光電二極管、鏡頭等——并進(jìn)行自己的系統(tǒng)集成，甚至創(chuàng)建自己的 HRM 算法。