光学心率监测(HRM)系统设计注意事项

设计光学心率监测(HRM)系统，也称为光电容积描记法(PPG)，是一项复杂的多学科工作。设计因素包括人体工程学、信号处理和滤波、光学和机械设计、低噪声信号接收电路和低噪声电流脉冲产生。

可穿戴设备制造商越来越多地将人力资源管理功能添加到他们的健康和健身产品中，这有助于降低人力资源管理应用中使用的传感器的成本。现在，许多HRM传感器将光电探测器和发光二极管等分立元件集成到高度集成的模块中。这些模块实现了更简单的实现，从而降低了将HRM添加到可穿戴产品的成本和复杂性。

可穿戴的外形也在稳步变化。虽然胸带多年来一直有效地服务于健康和健身市场，但HRM现在正在向基于手腕的可穿戴设备迁移。随着光学传感技术和高性能低功耗处理器的发展，基于腕部的形状因子适用于许多设计。HRM算法也达到了手腕形状因子可接受的复杂度。

其他可穿戴传感外形和位置正在出现，如头带、运动健身服和耳塞。然而，大多数可穿戴生物识别传感将在手腕上完成。

人力资源管理设计基础

没有两个人力资源管理应用程序是相同的。系统开发人员必须考虑许多设计权衡：最终用户舒适度、传感精度、系统成本、功耗、阳光抑制、如何处理多种皮肤类型、运动抑制、开发时间和物理尺寸。这些设计考虑将影响系统集成的选择：是使用高度集成的模块还是具有更多分立元件的架构。

图1:光学心率监测的工作原理。

图1显示了测量心率信号的基本原理，它取决于从组织中光学提取的心率压力波。它显示了光线进入皮肤的传播路径。心率压力波引起的毛细血管的扩张和收缩会调节绿色LED注入组织的光信号。

接收到的信号会因为穿过皮肤而大大衰减，被光电二极管拾取，送到电子子系统进行处理。检测、分析和显示脉冲引起的幅度调制。

HRM系统设计的基本方法是使用定制编程的现成MCU，它控制外部LED驱动器的脉冲，同时读取分立光电二极管的电流输出。请注意，光电二极管的电流输出必须转换成电压来驱动模数(A/D)模块。图2中的原理图显示了该系统的轮廓。

图2:获取光学心率所需的基本电子设备。

这里值得注意的是，I-V转换器在光电二极管电流为0时产生等于V REF的电压，该电压随着电流的增加而降低。

人力资源管理构建模块

心率系统中通常使用的电流脉冲在2 mA和300 mA之间，取决于受试者的颜色以及想要的信号需要与之竞争的阳光强度。与所需的绿色LED光不同，日光中的红外(IR)辐射几乎不会通过皮肤组织衰减，并且可能淹没所需的信号，除非绿光非常强或者除非添加昂贵的IR阻挡滤波器。

一般来说，绿色LED光进入皮肤的强度是太阳光的0.1到3倍之间。由于组织的严重衰减，到达光电二极管的信号非常微弱，并且由于散粒噪声，即使存在完美且无噪声的运算放大器和模数转换器，产生的电流也仅足以实现合理的信噪比(SNR)，即70至100 dB。

散粒噪声是由于25 Hz时每次读数接收的电子数量有限。设计中使用的光电二极管的尺寸在0.1 mm 2和7 mm 2之间。但1mm以上，由于阳光的影响，收益降低。

如图2所示，光学心率系统设计中难度大、成本高的功能块是驱动LED的快速大电流V-I转换器，这是光电二极管和MCU中使用的可靠算法，可以在主机的控制下对脉冲进行排序。低噪声LED驱动器具有300 mA和75100 dB SNR，可以设置为低至2 mA的极低电流，同时仍能产生低至10 s的极窄光脉冲，这是一种采用分立式操作实现的昂贵模块放大器。

如图2所示，低至10 s的窄光脉冲使系统能够承受运动和阳光。通常，对每个25hz样本进行两次光学测量。一次测量是在LED关闭时进行的，另一次是在LED打开时进行的。计算出的差值消除了环境光的影响，并提供了所需的对闪烁背景光不敏感的原始光信号测量值。

光脉冲的短持续时间允许并且需要相对强的光脉冲。它必须保持比可能的太阳光信号更亮，而PPG信号载体不应被太阳光信号所矮化。

如果太阳光信号大于PPG载波，那么虽然可以通过减法去除，但信号可能会太大，以至于外部调制(例如在阴影中来回摆动手臂)会产生难以去除的伪像。因此，使用低电流LED驱动器和大光电二极管的系统可能会受到强光下运动伪像的严重影响。

分立和集成设计

许多所需的HRM感测功能可以预先设计并集成到单个设备中。将大多数功能封装到一个硅芯片中，可以形成一个相对较小的3 x 3 mm封装，甚至可以集成光电二极管本身。

图3示出了具有光学传感器的示意图的示例。这种人力资源管理设计相对容易实施。你只需要关注设计的光学部分，包括电路板上元件之间的光学屏障，以及系统与皮肤之间的耦合。

图3:集成心率传感器仅需要外部LED。

虽然图3所示的方法产生了一个高性能的HRM解决方案，但它并不像一些设计师所希望的那样小巧或节能。为了实现更小的解决方案，LED管芯和控制硅芯片必须集成到一个封装中，该封装包含所有基本功能，包括光阻挡和透镜以提高LED输出。图4说明了这种更加集成的方法，它基于Silicon Labs Si117x光学传感器。

图4:具有所有基本组件的高度集成的HRM传感器模块。

HRM设计不需要外部led。并且LED和光电二极管都在模块内部，可以直接安装在智能手表等可穿戴产品背面的光学端口下方。与分立设计相比，该方法可以缩短LED与光电二极管之间的距离。由于通过皮肤的光损失很低，缩短的距离允许在极低的功率下操作。

LED集成还解决了LED和光电二极管之间的漏光问题，因此设计人员不用不必在PCB上添加光刻胶。这种方法的替代方法是使用塑料或泡沫插件以及PCB上的特殊铜层来处理阻塞。

开发商不不一定需要创建人力资源管理设计的另一部分：人力资源管理算法。由于在运动和移动过程中通常会发生信号损坏，驻留在主处理器上的这个软件块非常复杂。用户最后的动作通常会产生自己的信号，会欺骗实际的心率信号，有时会被误认为是心率跳动。

如果可穿戴开发者或制造商没有资源开发算法，第三方供应商将在许可的基础上提供这种软件。由设计者决定适合HRM应用的集成程度。开发人员可以选择高度集成的基于模块的方法，通过使用许可算法来简化设计过程，加快上市时间。

拥有深入的光学传感专业知识、时间和资源的开发人员可以选择使用单独的组件——传感器、光电二极管、透镜和其他——，并集成自己的系统，甚至创建自己的HRM算法。

审计唐子红