基于Si1144 PPG心率传感器+EFR32BG蓝牙低功耗SoC的动态心率摸块设计

时间： 2018-06-25 来源：世强

技术问答

心率是衡量心脏健康状况的重要生理指标。在很多高端运动设备和便携式医疗设备中，也都配备了基于各种技术的传感器。比如，ECG, PPG等。这些传感器在静止状态下，测量结果都很精确，也就是我们所说的静息心率都很准确。但是，在运动状态下，由于运动剧烈程度不一样，再使用静息心率的计算方法，计算出来的心率就是错误的，没有实际的意义。

由于动态心率算法设计和计算难度较大，目前国内很多厂商的带有心率功能的手环，手表，基本都是静息心率。支持动态心率的手环、手表有华为，Polar, Fitbit, Garmin等知名大厂。因此，设计一款内置动态心率算法的心率模块，应该能满足市场的迫切需要。也能让普通产品，加上动态心率模块后，快速提升产品档次和价位。根据此市场需求，我们采用SILICON LABS的Si1144心率传感器，结合Silicon Labs EFR32BG1B232F256 蓝牙低功耗SoC, 设计了集成动态心率算法和运动算法的心率模块。

该动态心率模块，采用邮票孔封装，便于SMD焊接。内置蓝牙天线，加速度传感器，电源转换电路，心率传感器，以及各种软件算法，和封装好的蓝牙GATT service。设计框图如下：

使用该模块，用户无需担心复杂的心率算法和光学设计，以及运动算法等。只要一个简单的8051 MCU,就可以通过UART接口，直接读取模块计算好的心率值和运动参数值。最简单的，就是外部电路都不需要，只要增加一个纽扣电池，就可以做蓝牙心率监测产品。

对于心率传感器的选型，Silicon Labs Si1144是基于PPG的心率传感器，其内部集成了光学镜头，光学遮挡板，光电感应管，还内置了一个高亮的绿色LED光源。利用皮肤血管对光的吸收（折射）和反射变化，通过光电转换，对转换后的电流进行放大和A/D转换，结合吸收前的发射功率，可以计算出当前被血管吸收的光能量。因此，是比较适合我们的应用。

当没有运动时，EFR32BG通过I2C, 让Si1144输出频率25Hz，脉宽100us的光源脉冲。照射到皮肤上。

当有运动时，通过光谱分析，可以看到心率信号被严重破坏。就像把一个干净的东西，丢进了垃圾桶。此时，就需要设计一个滤波器算法，把干扰去掉。也就是如何从垃圾桶里面恢复出原始的心率数据。

为此，我们设计了一个自适应滤波器算法，根据运动的剧烈程度，动态调整滤波因子，从而动态调整光源的输出频率和输出脉宽。实时计算出微小时间段内的心率值。

对于蓝牙输出的数据包，采用Frame length =20Bytes, 输出间隔为1秒。

输出数据格式如下（16进制输出）：

计算出动态心率后，用户可以利用计算出来的心率值，进行更多参数的计算。比如卡路里，VO2(最大摄氧量)等。因为利用的是实时动态心率，计算出来的值，会更接近人体的实际值。

由于EFR32BG内置蓝牙，对于计算出来的心率和运动值，可以直接通过蓝牙发射出去。方便外部的蓝牙设备接收和分析。

和其他PPG心率传感器相比，Silicon Labs Si1144由于集成度高，功耗低，和EFR32BG的无缝连接，可以很好的应用到心率产品中。

注意事项：

1. 虽然Si1144集成了光隔板，但是设计时，仍然需要考虑周围光的干扰。

2. PCB板尽量采用黑色表面处理，防止光的多次反射，影响测试结果。

3. 心率算法的计算，需要消耗大量的CPU资源，选择的外部CPU,需要支持DSP和FPU指令。否则，计算不出来准确的心率值。

4. 算法的收敛时间，是20s~40s之间。刚开始测量时，需要把这部分时间段的数据丢弃掉。

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全部评论（2）

用户81670475 Lv1 2019-01-07

这个板子如何购买？
古月工 Lv8. 研究员 2019-01-05

学习

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