設計要求

　　1.紅外發射器包括能持續發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-發射極電壓（Vbe）根據其獲得的光量而發生變化。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。考慮到放大級，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射器和接收器。

　　現在，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字模塊或MCU（微控制器單元），從而計算每分鐘脈搏數，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據，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設有低功耗ARM Cortex-M0內核，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。

　　圖4顯示了如何實現兩種類型的心率監控器。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。現在這些模擬信號調節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行此操作。將1.024V的高精度內電壓作為ADC（模數轉換器）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。

　　圖4：心率監控器的電路圖（屏幕截圖源自PSoC Creator）

　　來自比較器模塊的脈沖可饋送給計數器模塊（PSoC 4中專用的TCPWM模塊），從而計算每分鐘出現的脈搏數。一旦計算出心跳，內部ARM Cortex M0內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“數字相關模式”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。在過去，所用設備采用機械按鍵，用戶必須按下按鍵才能增減段式LCD上顯示的年齡、體重值。而現在，大多數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，可實現低功耗、高掃描速度和高信噪比（SNR）。

　　此外，功耗也是心率監控器的一個重要設計考慮因素。可編程片上系統必須實現低功耗可行性，并在沒有執行任何操作的情況下讓系統進入休眠狀態。有效的功耗模式選項包括工作、休眠、深度休眠、冬眠及關機模式等，從而平衡系統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進入休眠模式。比較器的輸出可作為喚醒源，一旦設備從休眠中喚醒就能執行所有計算。計算完成后，設備可再次回到休眠狀態。即使設備處于休眠或深度休眠的模式下，PSoC 4中的段式LCD組件也能繼續驅動段式LCD。由于設備采用電池供電，因此這種低功耗技術的使用能幫助OEM廠商實現產品特色化，延長電池使用壽命。