【技术】光学心率感测设计的系统集成考量
SILICON LABS(亦称“芯科科技”)近期发布了一篇技术文章,主题为:“光学心率感测设计的系统集成考量”,内容详细说明了光学设计的原理、关键考量,以及各部集成器件的需求,同时也介绍了芯科旗下最新的高精准、高集成度、低功耗HRM模块解决方案。
心率监测逐渐成为可穿戴电子标配
可穿戴电子产品制造商正在不断为其保健与健身产品添加心率监测功能,集成化也正在推动心率监测应用中传感器的成本不断降低。目前,许多心率检测传感器都在其高度集成的模组中包含了一些分离的元器件,如模拟前端(AFE)、光电管检测器和发光二极管等。这些模组支持更便捷的实现方式,可在将心率监测功能加入到可穿戴产品中时降低其成本和复杂性。
可穿戴产品的外观形态也在逐渐改变。在胸带已经有效地服务了保健与健身市场多年的同时,心率监测功能现在正在进入到各种手腕佩戴产品中。光学感测技术与高性能、低功耗处理器等方面的技术进步,已经促使手腕佩戴这种外形可适用于许多设计;心率检测算法的精密度也已到达了一种新的水平,从而可以被采用手腕佩带外形的产品所接受。其它新的可穿戴感测应用外观形态和应用场景也在不断涌现,比如头带、体育与健身服装、以及耳塞等。但是,可穿戴生理指标监测的最主要应用场景还将归集于手腕。
集成度,精准度为心率监测系统设计关键
没有两种心率监测应用是完全相同的,系统开发人员必须考虑许多设计折中:如产品的舒适性、感测的精度、系统成本、功耗、阳光影响、处理许多皮肤类型、运动影响、开发时间和物理大小等等。所有这些设计因素都影响系统集成,是采用高集成度模组解决方案,抑或是采用集成了更多分离元器件的架构。
图1展示了测量心率信号的基本方法,它依赖于用光学方法从人体组织上提取的心率压力波。图1说明了光进入皮肤后传输的途径:由心率压力波引起的毛细血管舒张和收缩运动对由绿色LED注入人体组织的光信号进行了调制。接收到的信号因为通过了皮肤而被大大地衰减,它被一个光电管接收并送到电子子系统中去处理。源自脉搏的振幅调制信号被检测(过滤掉运动噪声)、分析和显示。
图1. 光学心率检测的运行原理
心率监测系统设计的一种基本方法采用了一种定制的的微控制器(MCU),它被用于控制外部LED驱动器的脉冲信号发生,并同时读取一个分离的光电管上的电流输出数据。已知光电管的电流输出必须转换为电压,输出给模拟到数字转换(A/D)单元,图2中的原理图说明了这类系统的基本原理。已知电流到电压转换器在光电管电流为0时产生一个等于VREF的电压,而随着电流的增加电压将下降。
用在心率系统中的电流脉冲通常在2mA到300mA之间,具体数值取决于被测的皮肤颜色,以及所期望的信号必须抵消阳光。阳光中的红外辐射透过皮肤组织时的衰减很小,这与期望采用的绿光LED发出的光线不同,所以它能够淹没绿光的信号,除非所采用的绿光非常强,或者添加一个昂贵的红外线阻断滤波器。
在通常情况下,射入皮肤的绿色LED光线的强度,是阳光强度的0.1倍到3倍。由于人体组织的严重衰减作用,到达光电管的信号非常微弱,需要产生仅够使用的电流来实现合理的70-100dB信噪比(SNR),以便在即使是有完美的、无噪声运算放大器和A/D转换器的情况下来消除噪声。
采用这种消噪的原因是在每秒25次的数据读取中,每次光电管都会接收到一定数量的电子。设计中所采用的光电管的大小在0.1 mm2到7 mm2之间。但是,当它大于1mm时就会因阳光的影响而出现不确定的返回值。
图2.用光电法获取心率数据所需的基本电子线路
如图2所示,在一个光电心率系统设计中,难以实现和成本很高的功能模块分别是:快速的、大电流的驱动LED的电压到电流转换器,用于光电管的电流到电压转换器,以及运行算法和对序列信号进行处理的MCU。一个可被设置到低至2mA的很低电流,但同时仍然能产生短至10μs的非常窄的光脉冲低噪声(75 - 100 dB SNR)300mA LED驱动器也是一个用分离器件实现起来非常昂贵的模块。
图2中所示的短至10μs的窄光脉冲支持系统去容忍运动和阳光,典型的方法是每秒25次采样率下的每次次的快速光测试,一次测量是在LED关闭的情况下完成的,而另一次则是在LED打开的情况下完成。计算得出的差值消除了环境光的影响,重要的是给出了对闪烁的背景光不敏感的期望的原始光信号测量值。
极短的光脉冲可以提供更强的光脉冲,可以比阳光的亮度更高,这也许是目前的解决方案并使PPG信号载波不被阳光信号所破坏的方法之一。如果阳光信号大于PPG载波,尽管它可以通过减法被消除,但是手臂运动会带来的难以消除的噪声。所以系统会使用一个低电流的LED驱动器和大面积的光电管对运动和阳光噪声进行补偿。
许多期望的心率检测感测功能可以通过预先的设计和集成,用仅仅一个器件来实现。将该项功能的大多数电路集成到一块芯片中,可实现相对较小的3 mm x 3 mm封装,这甚至可以把光电管自己集成于其中。
高集成,小尺寸,低功耗,内建算法的Si118x HRM模块
图3以Silicon Labs的Si118x光学传感器为例来说明电路原理,基于此器件可以相对方便地实现心率检测设计。工程师只需专注于设计的光学部分,其中包括电路板上各部分间的光学单元和将该系统如何与皮肤配合。
图3.一个只需要外部LED的集成化心率传感器
图3所示的方法可以实现高性能的心率检测解决方案,它并不是一些设计师所期望的小型化或高功效方案。为了实现更小的解决方案,LED片芯和控制芯片必须被集成到同一个封装中,其中集成了所有的必需的功能,包括光学单元和可以改善LED输出的透镜。图4说明了这种集成度更高的解决方案,它基于Silicon Labs的Si117x光学传感器。
这种心率检测设计不需要额外的LED,因为LED和光电管都集成在模组内部了,而该模组可以直接安装在光学界面的下面,亦即诸如智能手表等可穿戴产品的后盖里面。这种颇具优势的方法使LED与光电管之间的距离短于分离器件设计,这种更短的距离支持极低功耗的运行,这是因为在穿透皮肤时的光损失更低。
集成多个LED也解决了LED与光电管之间的光泄漏问题,其结果是设计人员不必在印刷电路板上添加光阻隔离。不采取这种方法的结果是,用塑料或者泡沫插入物和印刷电路板上的特别铜层来处理隔离。
图4.一个高度集成的心率检测传感器模组集成了所有必须的元器件
当然,其中还有一款心率检测设计的开发人员不必去关心的部分:心率检测算法。这个寄附在主处理器上软件单元非常复杂,其原因是在用户锻炼或者进行运动时会发生信号变差的情况。最终用户的运动通常会产生其自身的信号,它们可能欺骗真正的心率信号,并在有些时候被错误地认作是心率节奏。
如果一家可穿戴产品的开发人员没有开发算法的资源,第三方供应商可以以软件授权交易的提供这种软件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光学传感器心率算法,它们可以在编译后运行在大多数处理器上。
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 91
本网站所有内容禁止转载,否则追究法律责任!
相关推荐
【产品】心率监测(HRM)解决方案:光学心率传感器/环境光传感器/温湿度传感器/紫外线指数传感器
Silicon Labs持续扩展高性能、低功耗的光学传感器阵容,包括心率/脉搏血氧饱和度,以及2D 或 3D 手势的移动侦测等。针对可穿戴设备,Silicon Labs开发的生物传感器Si1132/4X系列,主要用于测量人们的心跳、血压,追踪阳光紫外线强度等,并且这些传感器致力于小尺寸以应对可穿戴领域的挑战。
【应用】业界首款单芯片数字紫外线指数传感器IC,用于测量人们的心跳、血压,追踪阳光紫外线强度
Silicon Labs Si1132/Si114x光学传感器是业界首款单芯片数字紫外线指数传感器IC,配合Silicon Labs动态心率检测算法,使可穿戴产品和智能手机具备跟踪紫外线阳光强度、动态心率和血氧测量的功能。
【应用】国产导热垫HAZ30用于光学传感器,助力解决CPU部位散热问题,无小分子硅氧烷挥发
针对光学传感器在研发设计及实际应用过程中所面临的CPU部位散热问题,本文推荐使用汉华旗下的HAZ30这款高性能无硅导热垫片,导热系数典型值为3W/m.k,低热阻,有利于快速转移CPU部位产生的热量。
【应用】红外接近传感器在扫地机器人避障功能中的应用设计
Si115x内部增加了一个940nm的滤光片,可以阻止其它光线的干扰,大大提供了检测的准确度。
【产品】超低功耗光学生物传感器,为可穿戴设备添加ECG测量功能
Silicon Labs推出一组全新的光学生物传感器——Si117x,可以提供先进的心率监测(HRM)和心电图(ECG)功能,集超低功耗,高灵敏度,高集成度于一身,进而用于多种可穿戴健康和健身保健设备。
【应用】超低功耗光学传感器Si1153应用于智能吸顶灯,接近探测距离最高达2m可实现远程控制
随着时代发展,智能化已经融入到人类的生活起居中,就连简单的吸顶灯,也需要融入了智慧的元素,才能满足消费者日益增长的挑剔需求。和传统的吸顶灯不同,越来越多的产品增加了人体手势控制功能,通过内置的感应模块,识别多种不同的手势,可以达到开启、关闭、切换灯光颜色等功能。
【产品】光学心率传感器模块Si1173,可广泛应用于需心率监测的健身可穿戴设备、智能手表
Si1173是Silicon Labs推出的一款光学心率传感器模块,支持PPG和ECG的同步测量以及对于内部和外部LED的驱动,专有的对于运动补偿HR算法的支持,可以提供对于人体心率等生物信号的高动态测量,可广泛应用于健身可穿戴设备、智能手表等需心率监测的可穿戴产品中。
【经验】如何准确地为产品选择光学传感器Si1153的型号
Silicon Labs推出的光学传感器Si1153,支持检测距离从1cm至50cm,增加透镜能够检测到200cm,可满足不同距离检测应用的需求。Si1153存在Si1153-AA和Si1153-AB两个版本,由于Si1153版本较多,开发者该如何准确地选择合适的型号才能够满足产品需求呢?本文将从产品功能需求较多来介绍该如何选择。
BH1790GLC Class-Leading* Low-Power Optical Sensor for Heart Rate Monitor
型号- BH1790GLC,BH1790GLC-EVK-001
【产品】±1.5 UV测量精度的光学传感器Si1133,支持最高4Mbps的数据速率
过度曝晒有害健康,±1.5高精度UV指数检测传感器能在深色玻璃下运行,并具4Mbps数据速率的I2C串行通信接口,可帮您评估阳光强度和阻止皮肤受到伤害。
光学传感器Si1141的接近传感功能与传统的红外发射接收套管相比有什么优势?
Si1141是高集成度的数字光学传感器,相比于传统的红外发射接收套管有如下优势:1、集成度高,最小封装只有2mm×2mm,外部接一个LED灯即可,而传统的红外发射和接收管都体积都比较大,占用太多空间。2、Si1141使用简单,通过I2C接口与其通信即可获取当前红外反射光强来判断是否接近,而传统的红外管,为了防止干扰等,还需要一些编码解码操作。3、功耗低,Si1141是低功耗的光学传感器,最低功耗只有几uA,而传统的红外管都是mA级别。
平板电脑屏幕设计利器:日光下可识别多种手势的传感器
Si1153传感器具高性能接近感应和手势识别功能,实现非接触的人机交互,帮助完成平板电脑完成翻页、返回、开始、停止和游戏等操作;可在日光照射条件下工作,会自动感应并关闭屏幕,防止伤害眼睛。
【应用】最新HRM传感器模块:集成低功耗MCU、蓝牙无线传输、LED光源、射频元器件和算法
本文将介绍下一代可穿戴设备的心率监控功能设计及应用趋势,及Silicon Labs最新的高集成度Si117x HRM传感器模块,它将HRM传感器、低功耗MCU、蓝牙无线传输、LED光源、射频元器件和算法全部集成在一个模块内,为开发者提供了最简化且性能与功耗兼顾的生物识别解决方案,完全满足了新型可穿戴的功能性需求。。
Optical Sensors – Proximity, Gestures
型号- SI115X,SI1153,SI1153-AA09-GMR,SI1133,SI1153-AA00-GMR,SI1153-AA9X-GMR
电子商城
现货市场
品牌:SILICON LABS
品类:Switch Hall Effect Magnetic Position Sensor
价格:¥2.2924
现货:126,000
服务
可定制三防平板尺寸范围5~15.6寸,win10/11/安卓90/10.0/110/120/Linux/麒麟系统等多系统定制,IP65防尘防水,在-10°C~50°C稳定运行,支持一维/二维、NFC等功能模块、指纹识别模块自由选配。
最小起订量: 1台 提交需求>
世强深圳实验室提供Robei EDA软件免费使用服务,与VCS、NC-Verilog、Modelsim等EDA工具无缝衔接,将IC设计高度抽象化,并精简到三个基本元素:模块、引脚、连接线,自动生成代码。点击预约,支持到场/视频直播使用,资深专家全程指导。
实验室地址: 深圳 提交需求>
查看全部4条回复