采用可編程SoC設(shè)計(jì)心率監(jiān)控器

　　圖4顯示了如何實(shí)現(xiàn)兩種類(lèi)型的心率監(jiān)控器。對(duì)于可提供增益為50,000的兩級(jí)放大器以及LPF而言，我們可使用專(zhuān)用運(yùn)算放大器，每個(gè)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(fù)電壓輸入被剪切，只有正波形能通過(guò)放大和濾波級(jí)。光電晶體管的輸出通過(guò)HPF(高通濾波器)截止為0.7 Hz，從而消除DC波動(dòng)?，F(xiàn)在這些模擬信號(hào)調(diào)節(jié)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(jí)的輸出必須饋送給比較器，以便生成其頻率與心臟跳動(dòng)速率成正比的方波信號(hào)列。可采用專(zhuān)用比較器模塊執(zhí)行此操作。將1.024V的高精度內(nèi)電壓作為ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的參考。此相同電壓源可饋送至比較器模塊的負(fù)端，以便檢測(cè)出血流量/心跳的變化。

　　心率監(jiān)控器的電路圖

　　圖4：心率監(jiān)控器的電路圖(屏幕截圖源自PSoC Creator)

　　來(lái)自比較器模塊的脈沖可饋送給計(jì)數(shù)器模塊(PSoC 4中專(zhuān)用的TCPWM模塊)，從而計(jì)算每分鐘出現(xiàn)的脈搏數(shù)。一旦計(jì)算出心跳，內(nèi)部ARM Cortex M0內(nèi)核就可用上述方程式A和B給出的方法計(jì)算消耗的卡路里。該系統(tǒng)可通過(guò)專(zhuān)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(shù)字相關(guān)模式”或正常的“PWM模式”下工作[8]。

　　卡路里的計(jì)算需要輸入年齡、體重等具體參數(shù)。在過(guò)去，所用設(shè)備采用機(jī)械按鍵，用戶(hù)必須按下按鍵才能增減段式LCD上顯示的年齡、體重值。而現(xiàn)在，大多數(shù)消費(fèi)者更喜歡使用直觀的電容式感應(yīng)觸摸按鍵來(lái)取代機(jī)械按鍵。此外，采用電容式按鍵，還可支持卡路里計(jì)算/心率監(jiān)測(cè)的啟動(dòng)和停止。電容式感應(yīng)(CapSense)可支持最多35個(gè)按鍵，并具備較長(zhǎng)的接近感應(yīng)和防水操作功能，可實(shí)現(xiàn)低功耗、高掃描速度和高信噪比(SNR)。

　　此外，功耗也是心率監(jiān)控器的一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素?？删幊唐舷到y(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)低功耗可行性，并在沒(méi)有執(zhí)行任何操作的情況下讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。有效的功耗模式選項(xiàng)包括工作、休眠、深度休眠、冬眠及關(guān)機(jī)模式等，從而平衡系統(tǒng)響應(yīng)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(jì)算出卡路里和心率后就讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式。比較器的輸出可作為喚醒源，一旦設(shè)備從休眠中喚醒就能執(zhí)行所有計(jì)算。計(jì)算完成后，設(shè)備可再次回到休眠狀態(tài)。即使設(shè)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(xù)驅(qū)動(dòng)段式LCD。由于設(shè)備采用電池供電，因此這種低功耗技術(shù)的使用能幫助OEM廠商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特色化，延長(zhǎng)電池使用壽命。