光學心率感測設計的系統集成考量

設計與實現一個光學心率監測（HRM）系統（又稱光電容積脈搏波技術，簡稱PPG）是一類復雜的、涉及多個領域的項目。設計要素包括人體工程學、信號處理與過濾、光學和機械設計、低噪聲信號接收電路以及低噪聲電流脈沖發生器。Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）近期發布了一篇技術文章，主題為：“光學心率感測設計的系統集成考量”，內容詳細說明了光學設計的原理、關鍵考量，以及各部集成器件的需求，同時也介紹了我們旗下最新的高精準、高集成度、低功耗HRM模塊解決方案。請點擊“閱讀原文”至Silicon Labs中文社區觀看完整的技術文章。

心率監測逐漸成為可穿戴電子標配

可穿戴電子產品制造商正在不斷為其保健與健身產品添加心率監測功能，集成化也正在推動心率監測應用中傳感器的成本不斷降低。目前，許多心率檢測傳感器都在其高度集成的模組中包含了一些分離的元器件，如模擬前端（AFE）、光電管檢測器和發光二極管等。這些模組支持更便捷的實現方式，可在將心率監測功能加入到可穿戴產品中時降低其成本和復雜性。

可穿戴產品的外觀形態也在逐漸改變。在胸帶已經有效地服務了保健與健身市場多年的同時，心率監測功能現在正在進入到各種手腕佩戴產品中。光學感測技術與高性能、低功耗處理器等方面的技術進步，已經促使手腕佩戴這種外形可適用于許多設計；心率檢測算法的精密度也已到達了一種新的水平，從而可以被采用手腕佩帶外形的產品所接受。其它新的可穿戴感測應用外觀形態和應用場景也在不斷涌現，比如頭帶、體育與健身服裝、以及耳塞等。但是，可穿戴生理指標監測的最主要應用場景還將歸集于手腕。

集成度，精準度為心率監測系統設計關鍵

沒有兩種心率監測應用是完全相同的，系統開發人員必須考慮許多設計折中：如產品的舒適性、感測的精度、系統成本、功耗、陽光影響、處理許多皮膚類型、運動影響、開發時間和物理大小等等。所有這些設計因素都影響系統集成，是采用高集成度模組解決方案，抑或是采用集成了更多分離元器件的架構。

圖1展示了測量心率信號的基本方法，它依賴于用光學方法從人體組織上提取的心率壓力波。圖1說明了光進入皮膚后傳輸的途徑：由心率壓力波引起的毛細血管舒張和收縮運動對由綠色LED注入人體組織的光信號進行了調制。接收到的信號因為通過了皮膚而被大大地衰減，它被一個光電管接收并送到電子子系統中去處理。源自脈搏的振幅調制信號被檢測（過濾掉運動噪聲）、分析和顯示。

圖1.光學心率檢測的運行原理

心率監測系統設計的一種基本方法采用了一種定制的的微控制器（MCU），它被用于控制外部LED驅動器的脈沖信號發生，并同時讀取一個分離的光電管上的電流輸出數據。已知光電管的電流輸出必須轉換為電壓，輸出給模擬到數字轉換（A/D）單元，圖2中的原理圖說明了這類系統的基本原理。已知電流到電壓轉換器在光電管電流為0時產生一個等于VREF的電壓，而隨著電流的增加電壓將下降。

用在心率系統中的電流脈沖通常在2mA到300mA之間，具體數值取決于被測的皮膚顏色，以及所期望的信號必須抵消陽光。陽光中的紅外輻射透過皮膚組織時的衰減很小，這與期望采用的綠光LED發出的光線不同，所以它能夠淹沒綠光的信號，除非所采用的綠光非常強，或者添加一個昂貴的紅外線阻斷濾波器。

在通常情況下，射入皮膚的綠色LED光線的強度，是陽光強度的0.1倍到3倍。由于人體組織的嚴重衰減作用，到達光電管的信號非常微弱，需要產生僅夠使用的電流來實現合理的70-100dB信噪比（SNR），以便在即使是有完美的、無噪聲運算放大器和A/D轉換器的情況下來消除噪聲。

采用這種消噪的原因是在每秒25次的數據讀取中，每次光電管都會接收到一定數量的電子。設計中所采用的光電管的大小在0.1 mm2到7 mm2之間。但是，當它大于1mm時就會因陽光的影響而出現不確定的返回值。

圖2.用光電法獲取心率數據所需的基本電子線路

如圖2所示，在一個光電心率系統設計中，難以實現和成本很高的功能模塊分別是：快速的、大電流的驅動LED的電壓到電流轉換器，用于光電管的電流到電壓轉換器，以及運行算法和對序列信號進行處理的MCU。一個可被設置到低至2mA的很低電流，但同時仍然能產生短至10μs的非常窄的光脈沖低噪聲（75 - 100 dB SNR）300mA LED驅動器也是一個用分離器件實現起來非常昂貴的模塊。

圖2中所示的短至10μs的窄光脈沖支持系統去容忍運動和陽光，典型的方法是每秒25次采樣率下的每次次的快速光測試，一次測量是在LED關閉的情況下完成的，而另一次則是在LED打開的情況下完成。計算得出的差值消除了環境光的影響，重要的是給出了對閃爍的背景光不敏感的期望的原始光信號測量值。

極短的光脈沖可以提供更強的光脈沖，可以比陽光的亮度更高，這也許是目前的解決方案并使PPG信號載波不被陽光信號所破壞的方法之一。如果陽光信號大于PPG載波，盡管它可以通過減法被消除，但是手臂運動會帶來的難以消除的噪聲。所以系統會使用一個低電流的LED驅動器和大面積的光電管對運動和陽光噪聲進行補償。

許多期望的心率檢測感測功能可以通過預先的設計和集成，用僅僅一個器件來實現。將該項功能的大多數電路集成到一塊芯片中，可實現相對較小的3 mm x 3 mm封裝，這甚至可以把光電管自己集成于其中。

高集成，小尺寸，低功耗，內建算法的Si118x HRM模塊

圖3以Silicon Labs的Si118x光學傳感器為例來說明電路原理，基于此器件可以相對方便地實現心率檢測設計。工程師只需專注于設計的光學部分，其中包括電路板上各部分間的光學單元和將該系統如何與皮膚配合。

圖3.一個只需要外部LED的集成化心率傳感器

圖3所示的方法可以實現高性能的心率檢測解決方案，它并不是一些設計師所期望的小型化或高功效方案。為了實現更小的解決方案，LED片芯和控制芯片必須被集成到同一個封裝中，其中集成了所有的必需的功能，包括光學單元和可以改善LED輸出的透鏡。圖4說明了這種集成度更高的解決方案，它基于Silicon Labs的Si117x光學傳感器。

這種心率檢測設計不需要額外的LED，因為LED和光電管都集成在模組內部了，而該模組可以直接安裝在光學界面的下面，亦即諸如智能手表等可穿戴產品的后蓋里面。這種頗具優勢的方法使LED與光電管之間的距離短于分離器件設計，這種更短的距離支持極低功耗的運行，這是因為在穿透皮膚時的光損失更低。

集成多個LED也解決了LED與光電管之間的光泄漏問題，其結果是設計人員不必在印刷電路板上添加光阻隔離。不采取這種方法的結果是，用塑料或者泡沫插入物和印刷電路板上的特別銅層來處理隔離。

圖4.一個高度集成的心率檢測傳感器模組集成了所有必須的元器件

當然，其中還有一款心率檢測設計的開發人員不必去關心的部分：心率檢測算法。這個寄附在主處理器上軟件單元非常復雜，其原因是在用戶鍛煉或者進行運動時會發生信號變差的情況。最終用戶的運動通常會產生其自身的信號，它們可能欺騙真正的心率信號，并在有些時候被錯誤地認作是心率節奏。

如果一家可穿戴產品的開發人員沒有開發算法的資源，第三方供應商可以以軟件授權交易的提供這種軟件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光學傳感器心率算法，它們可以在編譯后運行在大多數處理器上。

當然，最終由設計師來決定各種心率檢測應用中需要多高的集成度才合適，設計人員能夠用高集成度的模組化解決方案和購買算法授權去簡化設計過程并加快產品上市。對于對光學感測有深入認識、同時時間及資源也頗為豐沛的開發人員，這可以選擇使用分離元器件（傳感器、光電管和鏡頭等等）及自己的系統集成，甚至還可以開發他們自己的心率檢測算法。最終，當我們進行心率監測系統設計時，設計師可以選擇全部靠自己去完成，或是全部從外部購買。