采用可編程SoC設計心率監(jiān)控器

　　心率監(jiān)測中的光電容積脈搏波技術

　　根據(jù)心跳速率，通過指尖或耳垂的血流量會有所不同。因此，我們需要某種機制來檢測血流量的變化，從而確定心臟跳動的速率。

　　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收發(fā)器。當紅外線等光輻射通過手指或耳垂血管時，從手指或耳垂處接收到的信號具有周期性，并根據(jù)血液流動節(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的激勵源為常量。當紅外收發(fā)器放置位置的血流量發(fā)生改變時，反射回來的光量也會發(fā)生變化。這種光學收發(fā)器的輸出變化將心跳轉化到電子領域中，這就需要經(jīng)過信號調(diào)節(jié)過程。最后，我們還需要采用數(shù)字邏輯來計算每分鐘的脈搏次數(shù)，進而得出以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

　　當選擇手指作為心跳測量的來源時，那么紅外反射法往往就是最好的選擇。但是，這種方法對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，當紅外收發(fā)器在連接耳朵處的血流量增加時，光電晶體管接收到的光量就會減少(即，與反射法的行為相反)。

　　圖2：紅外傳輸法

　　設計要求

　　1.紅外發(fā)射器包括能持續(xù)發(fā)射特定波長的紅外波的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Vbe的變化，光電晶體管的集電極需要通過電阻將電壓拉至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)，因此需要放大信號，使其達到可測量的電壓范圍(近似V的水平)。所以，放大器增益必須為50，000的水平，才能讓電壓達到可測量的范圍。

　　圖3：紅外發(fā)射器/接收器

　　4.設計這種設備時需要考慮各種可能的噪聲源，包括測量(即身體接觸)噪聲、肌電圖(EMG)噪聲(肌肉收縮)和運動影響(身體運動時常見的情況)。這些高頻來源的噪聲必須使用一階或二階低通濾波器來進行消除。因此，應用需要二階低通濾波器?？紤]到放大級，我們認為需要兩級放大器和二階低通濾波器。

　　5.如前所述，獲得50，000的增益需要級聯(lián)兩個增益分別為250和200的放大器。因此，兩個運算放大器可用來設計一個二階低通濾波器，總增益可達50，000.

　　最后，要生成方波列，計算脈搏數(shù)量，我們需要將兩級放大器的輸出饋送給具有適當閾值的比較器。請注意，該適當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還要存儲身高體重等個人數(shù)據(jù)，從而能夠計算消耗的卡路里。

　　從上面的描述中我們可以看到，我們需要：

　　1.心率傳感器(紅外二級管和光電晶體管對)。

　　2.3個外部運算放大器：2個用于濾波和放大級，另一個用作比較器。

　　3.1個MCU，可計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)動段式LCD，那么還需要采用外部芯片。

　　4.1個段式LCD，用以顯示心率和消耗的卡路里。

　　因此，我們需要一個芯片進行心率感應，3個外部運算放大器、1個MCU、1個芯片來連接帶段式LCD的MCU以及一個段式LCD.賽普拉斯推出的PSoC 4等單部低成本可編程片上系統(tǒng)可取代本應用中所需的運算放大器以及MCU和LCD接口。這種可編程片上系統(tǒng)設有低功耗ARM Cortex-M0內(nèi)核，并完美結合可編程混合信號硬件IP，能提供靈活的可擴展低功耗混合信號架構，從而充分滿足這種應用類型的模擬I/O、信號處理和實時計算要求。