采用可編程SoC設(shè)計心率監(jiān)控器

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

　　放大級的輸出必須饋送給比較器，以便生成其頻率與心臟跳動速率成正比的方波信號列。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端，以便檢測出血流量/心跳的變化。

　　心率監(jiān)控器的電路圖

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

　　來自比較器模塊的脈沖可饋送給計數(shù)器模塊(PSoC 4中專用的TCPWM模塊)，從而計算每分鐘出現(xiàn)的脈搏數(shù)。一旦計算出心跳，內(nèi)部ARM Cortex M0內(nèi)核就可用上述方程式A和B給出的方法計算消耗的卡路里。該系統(tǒng)可通過專用段式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]。

　　卡路里的計算需要輸入年齡、體重等具體參數(shù)。在過去，所用設(shè)備采用機械按鍵，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)消費者更喜歡使用直觀的電容式感應觸摸按鍵來取代機械按鍵。此外，采用電容式按鍵，還可支持卡路里計算/心率監(jiān)測的啟動和停止。電容式感應(CapSense)可支持最多35個按鍵，并具備較長的接近感應和防水操作功能，可實現(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)控器的一個重要設(shè)計考慮因素。可編程片上系統(tǒng)必須實現(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)進入休眠狀態(tài)。有效的功耗模式選項包括工作、休眠、深度休眠、冬眠及關(guān)機模式等，從而平衡系統(tǒng)響應能力和功耗效率。

　　由于心跳速率肯定在72 bpm或每秒鐘1.2次左右，因此我們能在計算出卡路里和心率后就讓系統(tǒng)進入休眠模式。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)行所有計算。計算完成后，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廠商實現(xiàn)產(chǎn)品特色化，延長電池使用壽命。