采用可編程SoC設計心率監控器

　　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。

　　心率監控器的電路圖

　　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。