采用可編程SoC設計心率監控器

　　心率監測中的光電容積脈搏波技術

　　根據心跳速率，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。

　　監控心率最常用的方法之一就是采用內置IR發射器和接收器的光學收發器。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，并根據血液流動節律和血液的吸收性而發生變化。(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器芯片，可在市場上滿足心率監控器系統的要求[3]，而光電二極管/光電晶體管的傳導則根據反射到其上的光量不同而產生變化。

　　假定IR LED的激勵源為常量。當紅外收發器放置位置的血流量發生改變時，反射回來的光量也會發生變化。這種光學收發器的輸出變化將心跳轉化到電子領域中，這就需要經過信號調節過程。最后，我們還需要采用數字邏輯來計算每分鐘的脈搏次數，進而得出以bpm(每分鐘心跳數)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。