可穿戴设备的心率测量性能解决方案

消费者驱动的按需健身指标为使用心率监测器（HRM）的应用创造了机会，该心率监测器不仅嵌入智能手表和健身可穿戴设备中，而且还嵌入在运动器材中。在HRM方法中，脉搏血氧仪提供了最大的消费者便利。然而，脉冲血氧测量功能的电子，机械和软件设计中的挑战性要求可能增加最终产品本身的实施的显着复杂性和延迟。

Maxim Integrated MAX30102等集成生物传感器为在专用可穿戴设备或健身设备中实施HRM提供了一种更简单的方法。

人力资源管理信息需求

心率是运动强度最熟悉和最容易测量的仪表之一。健康组织根据最大心率表示运动强度目标，通常接受为220减去个体年龄的值。美国心脏协会建议，大多数人在开始锻炼计划时应以最大强度的50％左右运动，之后不超过最大值的85％。

健身爱好者和运动员使用更精细的心脏渐变速率强度水平，以达到特定的训练条件（见表1）。在最大心率的72-78％时，训练超过从有氧训练到无氧训练的阈值。低于此水平的运动可提供中枢心脏系统益处，例如改善心输出量。高于此阈值的训练可为周围环境带来益处，例如改善毛细血管化。

86-92％，训练达到血乳酸积聚（OBLA）的开始，乳酸累积到显着水平，并且明显降低。性能。 OBLA水平的训练提高了个人清除乳酸的能力，并提高了训练有素的运动员的肌肉表现。

区域％最大心率训练类型5 93 - 100％最大训练4 86 - 92％OBLA训练3 79 - 85 ％稳态训练2 72 - 78％乳酸阈值训练1 65 - 71％中等

表1：运动员使用心率测量来针对特定类型的训练。 （资料来源：美国运动医学院）

除心率外，培训专家还会跟踪血氧饱和度，以衡量个人的氧气消耗效率，以便比使用简单的人力资源管理更加详细地了解运动情况。 SpO2定义为血红蛋白的估计氧饱和度，通过脉搏血氧计测量并表示为百分比。 SpO2可以合理估计真实动脉血氧饱和度SaO2，它是从血液样本中测量的。

脉搏血氧饱和度

心率的测量利用了与血流和血红蛋白脱氧相关的光吸收的变化。最简单的方法是光电容积描记法，利用皮肤光吸收的变化，因为当每次心脏搏动将血液推过它们时，由局部血管短暂扩张引起的局部血容量逐渐增加。更可靠的方法，脉搏血氧仪，利用血红蛋白在氧合和脱氧状态下发现的差异光吸收。

图1：脉搏血氧仪利用红色和红外波长的脱氧血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2）的差分能量吸收。 （图片来源：Wiki Commons）

如图1所示，脱氧血红蛋白（Hb）比红外光吸收更多的红光，而氧合血红蛋白（HbO2）吸收的红外光比红光更多。脉冲血氧计比较脱氧血红蛋白在约660nm处的吸收读数和在约880nm处的氧合血红蛋白以计算SpO2。这种差分测量方法比光电容积描记法产生更清晰的心率数据，因为它对运动，噪声或其他测量伪像不太敏感。尽管脉搏血氧仪在概念上很简单，但实施会带来多重有趣的挑战。

设计挑战

鉴于血流变化率相对较低，典型的脉搏血氧仪设计可以在相应的低收购率。典型设计将以低频率和最小占空比交替驱动红色和红外LED，以最大限度地降低功耗。低占空比下的操作还允许在两个LED关闭时基线测量环境光。但是，在驱动LED时，您需要将噪声降至最低，同时以适合每种类型LED的精确电平提供电流脉冲。此外，需要仔细控制红色和红外LED电流脉冲之间的时序，以保持测量的完整性。能够满足这些要求的设计可能相对复杂。

图2：典型的脉搏血氧仪设计使用独立的低噪声电流驱动器来管理电流驱动红色和红外LED，在应用中交替切换具体的工作周期和频率。 （图像源：Maxim Integrated）

为了驱动每个LED，设计人员有时会使用单独的电流驱动器子电路，每个电路都包含一个用于电流控制的数模转换器（DAC），一个用于噪声的滤波器级减小，以及力感配置中的运算放大器（图2）。反过来，每个LED驱动器子电路的输出以所选频率和占空比切换到相关LED。在此配置中，力感运放配置允许您使用最少的附加组件轻松设置所需的增益。但是，在实现此设计时，您需要仔细匹配每个路径中的组件，以最大限度地减少增益误差。

这种整体设计的变化伴随着他们自己的权衡。例如，您可以通过使用单个DAC来降低复杂性，但可能会以额外噪声为代价。输出侧产生的较高噪声会降低输入侧的信噪比（SNR），降低整体性能。

脉冲血氧仪设计人员使用两种通用方法测量红光和红外光。一种方法主要在模拟域中执行测量，使用针对每个波长的专用模数转换器（ADC），或者与LED驱动器同步的单个高分辨率ADC来测量每个波长的结果。或者，您可以主要在数字域中执行测量。这种方法简化了硬件设计，折衷是软件复杂性的适度增加。两种方法的核心是跨阻抗放大器（TIA）将光电二极管输出电流转换为电压，供ADC测量（图3）。

图3：脉冲血氧计使用单个光电二极管和相关信号链来感测透射或反射光，该信号链包括跨阻抗放大器，滤波器，可编程增益放大器（PGA）和模数转换器（ADC）。 （图像源：Maxim Integrated）

在脉搏血氧仪中，感兴趣的信号将产生相对较小的光电二极管电流输出，特别是与环境光源产生的电流相比。为了在这种环境中最大化SNR，TIA本身需要表现出非常低的输入电流和噪声。高通滤波器通常用于去除信号的环境源分量。最后，可编程增益放大器设置为使用ADC的全动态范围，以实现最佳信号转换分辨率。

除了精心设计LED输出和光电二极管输入电路外，脉搏血氧仪设计还需要适当的机械放置LED相对于光电二极管的器件。事实上，脉搏血氧仪使用两种不同的物理配置来测量光输出。设计用于连接手指或耳垂的设备可测量红光和红外光的传输。在这些装置中，LED和光电二极管放置在相对侧，通常包含在夹子的相对臂中。位于夹子的一个臂中的LED通过身体部分照射光，而位于相对臂中的光电二极管读取透射光水平。

相比之下，设计用于佩戴在手腕上或放置在患者身上的装置前额依赖于红光和红外光的反射。在这些装置中，LED和光电二极管都位于装置的同一侧，以便接触皮肤。反射HRM为用户提供了更大的灵活性，因为它们可以放置在任何足够平坦的皮肤区域。然而，对于设计者而言，这种方法需要将LED和光电二极管相对于彼此仔细定位，以优化红光和红外光的接收，因为每个波长都是从通过皮肤表面的血流中反射出来的。

集成解决方案

脉搏血氧仪中使用的差分测量方法看似简单，这掩盖了严格的模拟和机械设计要求的复杂性。寻求将HRM功能添加到产品中的开发人员可以通过将Maxim Integrated MAX30102放入其产品设计中而相对较少的努力，而不是处理机械问题和关键LED输出和光电二极管输入电路设计。

MAX30102是一款独立模块，可满足前面所述的电子和机械要求。除了用于低噪声LED电流管理和光电二极管信号采集的电子设备外，它还包括红色和红外LED以及光电二极管，所有这些都是进行光吸收测量的最佳位置。您只需添加一些外部组件即可实现能够向主处理器提供心率数据的脉搏血氧仪子系统（图4）。

图4：Maxim Integrated MAX30102模块包括LED，光电二极管和相关的电子电路，只需几个额外的元件即可实现脉冲血氧仪。 （使用Digi-Key Scheme绘制的图表 - 它）

模块的红色LED和IR LED的驱动电流可以单独设置为0到50 mA。此外，LED脉冲宽度持续时间可以设置为69μs至411μs，以优化测量精度和功耗之间的折衷。当脉搏血氧仪的传感器从用户的皮肤表面移除时，集成的接近功能进一步有助于降低功率要求。

在输入端，该设备集成了一个完整的SpO2测量子系统，它结合了环境光取消（ALC），专有的离散时间滤波器和sigma-delta ADC。您可以将18位ADC的满量程输入范围编程为2μA至16μA，采样速率范围为每秒50个采样至3,200。该模块的集成温度传感器可以补偿与温度相关的测量误差。

测量过程

MAX30102可以作为传统的光电容积描记图（PPG）在心率模式下工作红色LED，或使用红色和红外LED的SpO2模式。当个体处于静止状态时，心率模式有助于降低功率需求。然而，在活动期间，运动伪像会使用PPG方法获得的脉冲信号变得模糊。凭借其差分测量方法，SpO2模式可提供稳定的测量，但与正确顺序驱动两个LED相关的功率要求和操作复杂性均有所增加。

支持红色和红外LED照明的交替序列，MAX30102提供两个LED通道（图5）。每个通道可以提供69,118,215或411μs持续时间的脉冲，脉冲之间的预设时间分别为358,407,505或696μs。此外，采样率隐含地设置脉冲宽度的上限。例如，在3,200 sps的最大采样率下，脉冲宽度被限制为最大69μs，导致红色和IR脉冲之间的延迟为358μs（参见图5）。选定的脉冲宽度还将ADC分辨率设置为15位（69μs脉冲宽度），16位（118μs），17位（215μs）或19位（411μs）。

图5：Maxim Integrated MAX30102提供单独的通道，用于驱动红色和红外LED，具有指定的脉冲宽度，重复率和红色和红外交替脉冲之间的时间延迟。 （图像源：Maxim Integrated）

在接收端，MAX30102集成了先进先出（FIFO）缓冲器，可存储多达32个采样。因此，主机处理器不需要在每个样本之后读取传感器输出数据。相反，主机可以定期获取补偿所需的温度数据，依靠FIFO同时保留心率数据，同时MAX30102继续以预设速率采样（图6）。

图6：Maxim Integrated的MAX30102数据缓冲器可以定期测量温度，而不会以预设的采样速率中断红色和红外数据采集。 （图像源：Maxim Integrated）

如图6所示，完整的脉冲血氧饱和度采样序列首先将器件设置为SpO2模式，方法是将0x03写入器件模式控制寄存器的2：0位。采样过程中，采样软件可以将器件温度配置寄存器中的TEMP_EN位置1，以启动温度测量（图中的事件“1”）。当MAX30102完成温度测量时，它会触发TEMP_RDY中断以提醒主机（“2”）。反过来，当主机读取温度数据（“3”）时，中断被清除。当FIFO采样缓冲区达到“几乎满”阈值（设备配置寄存器中设置的值）时，器件发出中断（“4”），指示主机读取FIFO，自动清除中断（“5” “）并将FIFO读指针调整到下一个新样本（”6“）的位置。由于每次FIFO读取都会调整FIFO指针，因此该过程可以无限期地继续，直到应用程序明确终止SpO2测量。

<快速开发

对于希望加速HRM应用开发的开发人员，Maxim Integrated提供其MAXREFDES117＃参考设计（参见Digi-Key文章“MAXREFDES117＃：心率和脉搏氧饱和度监测”）。为了帮助您熟悉脉搏血氧仪设计，该参考设计包括硬件和软件，它们共同提供完整的独立HRM解决方案。该套件的小巧12.7 mm x 12.7 mm板包含MAX30102心率/SpO2传感器，低权力MA X1921降压转换器和MAX14595电平转换器（图7）。 MAX1921降压转换器将系统电源降至MAX30102所需的1.8 V电平。 MAX14595电平转换器处理MAX30102接口与主机板之间的逻辑电平差异。

图7：Maxim Integrated MAXREFDES117＃参考设计包括一个12.7 mm x 12.7 mm电路板（顶部），它将MAX30102与降压转换器和电平转换器（底部）相结合，使其可以与流行的开发板一起使用或任何提供I 2 C接口的MCU。 （图像源：Maxim Integrated）

参考设计板可与任何提供I 2 C接口的MCU一起使用。对于寻求快速开始应用开发的设计人员，Maxim Integrated为ARM®mbed或Arduino平台提供了软件库示例。使用样品软件，参考设计板的功耗低于5.5 mW，并达到了与领先的胸带HRM产品相当的精确度（图8）。

图8：Maxim Integrated MAXREFDES117＃参考设计提供硬件和样本软件，可提供接近Polar H7胸带的测量精度。 （图片来源：Maxim Integrated）

示例源代码旨在帮助您熟悉HRM应用程序，实际上提供了一个全面的HRM基础库。该代码包括例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 中SpO2算法的完整实现，它接受以下输入：

* aun_ir_buffer 指向IR传感器数据缓冲区的指针

n_ir_buffer_length IR传感器数据缓冲区长度

* aun_red_buffer 指向红色传感器数据缓冲区的指针

例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 更新以下参数（作为函数调用参数列表中的指针提供）：

* n_spo2 计算的SpO2值

* ch_spo2_valid “1”如果计算的SpO2值有效

* n_heart_rate 如果计算出的心率值有效，则计算心率值

* ch_hr_valid “1”

Maxim Integrated示例代码显示了如何在示例应用程序中使用软件库，该应用程序在开发人员的控制台上显示获取的心率数据。初始化MAX30102后，示例应用程序首先使用例程 maxim_max30102_read_fifo 收集样本五秒钟，然后使用例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 计算心率，继续无限循环收集采样和计算心率直到用户终止。

maxim_max30102_init（）;//初始化MAX30102

n_brightness = 0;

< code> un_min = 0x3FFFF;

un_max = 0;

< code> n_ir_buffer_length = 500;//缓冲区长度100个存储5秒样本以100sps运行

//读取前500个样本，并确定信号范围

for（i = 0; i

{

while（INT .read（）== 1）;//等到中断引脚置位

maxim_max30102_read_fifo（（aun_red_buffer + i），（aun_ir_buffer + i）） ;//从MAX30102读取FIFO

if（un_min> aun_red_buffer [i]）

un_min = aun_red_buffer [i];//更新信号min

if（un_max

un_max = aun_red_buffer [i];//更新信号max

}

un_prev_data = aun_red_buffer [i];

//计算前500个样本后的心率和SpO2（样本前5秒） ）

maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation（aun_ir_buffer，n_ir_buffer_length，aun_red_buffer，＆amp; n_sp02，＆amp; ch_spo2_valid，＆amp; n_heart_rate，＆amp; ch_hr_valid）;

//从MAX30102连续取样。心率和SpO2每1秒计算一次

while（1）

<代码> {

//永远循环，重复以上序列：

//从fifo读取样本

//计算心率

}

结论

心率是衡量个人健康和健康水平的重要指标。越来越多的消费者对测量这一至关重要的统计数据的兴趣使得心率测量不仅在健身设备方面，而且在大众市场可穿戴设备中也是一个重要的差异化因素。脉搏血氧仪可为心率测量提供高度灵活的解决方案，但对电子，机械和软件设计提出了严格的要求。随着Maxim Integrated MAX30102生物传感器模块和相关MAXREFDES117＃参考设计的推出，您可以使用最少的附加硬件或软件实现脉冲血氧仪，几乎可以用于任何专为健身或日常使用而设计的产品。