术语和定义

参考

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作者:Vladyslav科兹洛夫

介绍

心脏率在人体中的关键的重要标志之一。监测和心脏率（HR）的跟踪是现代电子设备的相对简单的任务。这就是为什么像智能手表和活动跟踪现代穿装置被广泛利用的人力资源监控功能。此外，这样的设备可以检测到可能的疾病如心动过速（快速HR），心动过缓（慢HR），心律不齐（经常改变HR），以及其他。

此外，HR显示器被广泛应用于运动。利用HR测量的帮助下，运动员可以定义适当的负载和休息时间。

心率监测技术

心率监测有几种不同的技术。所有这些技术都使用不同类型的信号。

Phonocardiography

这种技术利用心脏瓣膜打开和关闭时产生的声音信号。通常采用DSP对信号进行滤波和处理。经过适当的过滤，不仅可以检测心率，还可以检测心脏的异常。

压力传感技术

这种技术利用从连接到对人体所定义的地方之一的压电传感器，例如一个信号，在手腕上。收缩和心脏舒张的原因在血管的压力相应变化。

心电图

这项技术是基于对心脏产生的电场的测量。必须有两个或多个电极放置在人体的特定部位。心电图的图形表示由叫做P、Q、R、S、T和u的6个峰谷组成。心率是通过两个R峰之间的RR间隔平均来测量的。图1）在限定的时间段（例如，15，30，或60秒）。

Photoplethysmography

这个技术是基于从皮肤反射的光的量的变化的测量。当从LED发射的光通过血管，所接收的光具有脉动对应于心跳。通常，绿色或红外线LED被用作光源，因为血液吸收的特性，以光与特定波长的。这种技术是心脏率在可穿戴设备监测的最常见的方式。

光体积描记最适宜的绿光波长为540 ~ 570 nm。但由于发光强度高，通常使用530 nm的led。

模拟前端的建议设计

所提出的模拟前端电路如图所示图2．

电路由LED驱动器、跨阻放大器(TIA)、采样保持电路、高通滤波器、偏置校正电路、偏置非反相放大器、模拟比较器与数字滤波器、模拟电源滤波器组成。设计方案的结构如图所示图3．

领导的司机

领导的司机

LED驱动器定期打开/关闭两个绿色LED。周期为11.7 ms (85.3 Hz)。开机时间为100秒。因此，占空比为0.1/11.7 = 0.85%。通过每个LED的工作电流是12.5 mA，通过SLG47004的一个引脚给出25 mA。通过引脚的平均电流为213 μA。

互阻抗放大器

在这个例子中TIA光伏模式操作以小的光电二极管电流转换成电压。光电二极管部分数目为BPW34。这是可以使用其它LED或光电二极管，但在这种情况下，增益电阻器R5必须改变，以提供在输出适当的电压电平。

可选电容C2，增加TIA的稳定性。对于TIA期稳定性问题，建议放置C2。C2值的计算公式如下:

在哪里CD，C厘米，CDiff- 是二极管电容，共模运算放大器的电容，和差模运算放大器的电容;

GBWP—运算放大器的增益带宽乘积;

Rf-为反馈电阻。

根据数据表中，SLG47004的放大器具有C厘米= 7 pf和CDiff= 8pf .光电二极管的电容CD= 40 pF. GBWP = 512 kHz(设置)和Rf = 30 kΩ。所以Cf= 23.9 pF或22 pF(最接近的标准值)。

采样保持电路

S&H电路由模拟开关、电容器和缓冲器组成。当led打开时，采样在30秒后开始图15．在暂停期间，运算放大器的输出是稳定的。当模拟开关被打开（采样相位），采样电容器C3被充电到在OpAmp0输出的电压电平。采样的持续时间是70美国。

在保持阶段的模拟开关闭合。采样电容从OpAmp0断开。

缓冲器(ACMP缓冲器)消除了高通滤波器对采样电容的影响。

高通滤波器

一阶高通滤波器的截止频率为2.3 Hz。滤波后的信号的直流分量为VDD/ 2 V。

偏移校正电路

放大器和缓冲偏置电压的校正是通过改变分压器(R9, R10, R11和数字变阻器RH0)的一个分支的电阻来实现的。分压器的配置使系统能够以100毫伏精度(最坏情况下)的输出电压。如果不要求精度高，可以简化分配器。

偏置非反相放大器

非反相放大器的增益为151，偏置电压为VDD/2 (2.5 V for VDD= 5V）。

模拟比较器与数字滤波器

信号的数字滤波由Delay5执行，配置为上升沿延迟。

模拟电源滤波器和接地注意事项

混合信号电路的一个常见做法是提供从原理图数字部分产生的噪声中滤波的模拟电源电压。在当前的项目中，这是在lc过滤器的帮助下完成的。

必须特别注意布线的接地线时，应考虑。模拟地和数字地应在一个点上进行连接。从共用接地到电源源轨迹的电阻应尽可能地小。此外，建议使用具有低输出阻抗的供电电源。

内部模块配置

OpAmp0和OPAMP1配置

OpAmp配置显示在图4．

直升机ACMP配置

断路器ACMP配置显示在图5．

高清缓冲区配置

HD Buffer与OpAmp0宏单元共享内部电压参考。注意，在当前项目中，内部Vref与OpAmp0断开连接。HD Buffer的电源是连接矩阵信号。HD Buffer和OpAmp0 Vref配置如图所示图6．

ACMP缓冲区配置

要使用ACMP缓冲区作为电压跟随器，ACMP1和Vref1宏单元应该配置如下图7：

振荡器配置

振荡器1使用默认设置。振荡器0的配置如图所示图8．

延迟宏单元配置

延迟配置如图9．

P海底配置

pdly配置如图10．

LUT的配置

lut配置如图所示图11．

数字电位0配置

数字变阻器0的配置如图所示图12．

模拟开关1个配置

模拟开关1配置如图所示图13．

我2C宏单元的配置

我2C宏单元格使用默认配置。

配置的GPIO

gpio配置如图14．

正常操作模式

当上电输入(GPI0)电压升高或I2C主集2C虚拟输入0到1。

自动修剪过程开始后，每次短延迟(Delay4时间= 5.4毫秒)时，上电输入(I2C Virt。Input0)成为高。Auto-Trim过程的最大持续时间是512(rheostat_code)/2048(kHz_clock) = 250ms。

在校准过程中，模拟开关被关闭，高通滤波器分压器的电阻被改变，直到斩波ACMP (Vref=AV)的反相输入电压DD/2)不等于斩波ACMP (OpAmp1输出)的非反相输入电压。

自动修剪过程完成后AFE开始感觉心脏率。LED被期间短的时间间隔（100我们）接通每秒85次。采样和保持电路取样品时，LED被上的30我们暂停后转动时，看图15．采样保持原理大大减少由LED所消耗的平均电流。

软件仿真和硬件原型测试

图16和图17给出了前4秒AFE操作的仿真结果。该传感器(光电二极管)被建模为一个振幅为10 mV的正弦电压源。所示图17，所需的修剪点(VDD/2)在自动修剪过程开始后达到114毫秒。然后自动微调系统继续操作，并在所需的微调点附近切换变阻器，直到内部设置信号被释放。

硬件样机测试波形如图所示图18．

数字输出脉冲的频率(图18)是f输出= 1.063赫兹。这个频率对应于(f)的心率输出*60) =每分钟64次。

对模拟输出信号中的短电压尖峰是由LED的开启/关闭而引起的。因为它们是由SLG47004内部的数字过滤器过滤这些峰值不会影响数字输出信号。如果需要，这些尖峰也可通过1过滤圣order RC low pass filter放置在OpAmp1输出。

模拟输出信号的饱和区是由HD Buffer引起的。该缓冲区具有有限的电流接收能力。但这种限制并不影响数字输出信号。

结论

提出的心率监测仪是基于测量从皮肤反射的光线。信号处理和LED控制均由单个SLG47004集成电路完成，额外的采样和保持电路大大降低了电流消耗。

心率监测器的性能在很大程度上取决于光学系统的设置:led发出的光的方向、led的波长、led与光电二极管之间的距离和角度等。此外，测量还会受到环境光和传感器微小移动的影响。

如果心率信号相对较小，比如来自人类手腕的信号，则可能需要额外的软件信号处理。