消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的按需健身指標(biāo)為使用心率監(jiān)測(cè)器（HRM）的應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，該心率監(jiān)測(cè)器不僅嵌入智能手表和健身可穿戴設(shè)備中，而且還嵌入在運(yùn)動(dòng)器材中。在HRM方法中，脈搏血氧儀提供了最大的消費(fèi)者便利。然而，脈沖血氧測(cè)量功能的電子，機(jī)械和軟件設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)性要求可能增加最終產(chǎn)品本身的實(shí)施的顯著復(fù)雜性和延遲。

Maxim Integrated MAX30102等集成生物傳感器為在專(zhuān)用可穿戴設(shè)備或健身設(shè)備中實(shí)施HRM提供了一種更簡(jiǎn)單的方法。

人力資源管理信息需求

心率是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最熟悉和最容易測(cè)量的儀表之一。健康組織根據(jù)最大心率表示運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度目標(biāo)，通常接受為220減去個(gè)體年齡的值。美國(guó)心臟協(xié)會(huì)建議，大多數(shù)人在開(kāi)始鍛煉計(jì)劃時(shí)應(yīng)以最大強(qiáng)度的50％左右運(yùn)動(dòng)，之后不超過(guò)最大值的85％。

健身愛(ài)好者和運(yùn)動(dòng)員使用更精細(xì)的心臟漸變速率強(qiáng)度水平，以達(dá)到特定的訓(xùn)練條件（見(jiàn)表1）。在最大心率的72-78％時(shí)，訓(xùn)練超過(guò)從有氧訓(xùn)練到無(wú)氧訓(xùn)練的閾值。低于此水平的運(yùn)動(dòng)可提供中樞心臟系統(tǒng)益處，例如改善心輸出量。高于此閾值的訓(xùn)練可為周?chē)h(huán)境帶來(lái)益處，例如改善毛細(xì)血管化。

86-92％，訓(xùn)練達(dá)到血乳酸積聚（OBLA）的開(kāi)始，乳酸累積到顯著水平，并且明顯降低。性能。 OBLA水平的訓(xùn)練提高了個(gè)人清除乳酸的能力，并提高了訓(xùn)練有素的運(yùn)動(dòng)員的肌肉表現(xiàn)。

區(qū)域％最大心率訓(xùn)練類(lèi)型5 93 - 100％最大訓(xùn)練4 86 - 92％OBLA訓(xùn)練3 79 - 85 ％穩(wěn)態(tài)訓(xùn)練2 72 - 78％乳酸閾值訓(xùn)練1 65 - 71％中等

表1：運(yùn)動(dòng)員使用心率測(cè)量來(lái)針對(duì)特定類(lèi)型的訓(xùn)練。 （資料來(lái)源：美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)院）

除心率外，培訓(xùn)專(zhuān)家還會(huì)跟蹤血氧飽和度，以衡量個(gè)人的氧氣消耗效率，以便比使用簡(jiǎn)單的人力資源管理更加詳細(xì)地了解運(yùn)動(dòng)情況。 SpO2定義為血紅蛋白的估計(jì)氧飽和度，通過(guò)脈搏血氧計(jì)測(cè)量并表示為百分比。 SpO2可以合理估計(jì)真實(shí)動(dòng)脈血氧飽和度SaO2，它是從血液樣本中測(cè)量的。

脈搏血氧飽和度

心率的測(cè)量利用了與血流和血紅蛋白脫氧相關(guān)的光吸收的變化。最簡(jiǎn)單的方法是光電容積描記法，利用皮膚光吸收的變化，因?yàn)楫?dāng)每次心臟搏動(dòng)將血液推過(guò)它們時(shí)，由局部血管短暫擴(kuò)張引起的局部血容量逐漸增加。更可靠的方法，脈搏血氧儀，利用血紅蛋白在氧合和脫氧狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)的差異光吸收。

圖1：脈搏血氧儀利用紅色和紅外波長(zhǎng)的脫氧血紅蛋白（Hb）和氧合血紅蛋白（HbO2）的差分能量吸收。 （圖片來(lái)源：Wiki Commons）

如圖1所示，脫氧血紅蛋白（Hb）比紅外光吸收更多的紅光，而氧合血紅蛋白（HbO2）吸收的紅外光比紅光更多。脈沖血氧計(jì)比較脫氧血紅蛋白在約660nm處的吸收讀數(shù)和在約880nm處的氧合血紅蛋白以計(jì)算SpO2。這種差分測(cè)量方法比光電容積描記法產(chǎn)生更清晰的心率數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼘?duì)運(yùn)動(dòng)，噪聲或其他測(cè)量偽像不太敏感。盡管脈搏血氧儀在概念上很簡(jiǎn)單，但實(shí)施會(huì)帶來(lái)多重有趣的挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

鑒于血流變化率相對(duì)較低，典型的脈搏血氧儀設(shè)計(jì)可以在相應(yīng)的低收購(gòu)率。典型設(shè)計(jì)將以低頻率和最小占空比交替驅(qū)動(dòng)紅色和紅外LED，以最大限度地降低功耗。低占空比下的操作還允許在兩個(gè)LED關(guān)閉時(shí)基線(xiàn)測(cè)量環(huán)境光。但是，在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，您需要將噪聲降至最低，同時(shí)以適合每種類(lèi)型LED的精確電平提供電流脈沖。此外，需要仔細(xì)控制紅色和紅外LED電流脈沖之間的時(shí)序，以保持測(cè)量的完整性。能夠滿(mǎn)足這些要求的設(shè)計(jì)可能相對(duì)復(fù)雜。

圖2：典型的脈搏血氧儀設(shè)計(jì)使用獨(dú)立的低噪聲電流驅(qū)動(dòng)器來(lái)管理電流驅(qū)動(dòng)紅色和紅外LED，在應(yīng)用中交替切換具體的工作周期和頻率。 （圖像源：Maxim Integrated）

為了驅(qū)動(dòng)每個(gè)LED，設(shè)計(jì)人員有時(shí)會(huì)使用單獨(dú)的電流驅(qū)動(dòng)器子電路，每個(gè)電路都包含一個(gè)用于電流控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），一個(gè)用于噪聲的濾波器級(jí)減小，以及力感配置中的運(yùn)算放大器（圖2）。反過(guò)來(lái)，每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器子電路的輸出以所選頻率和占空比切換到相關(guān)LED。在此配置中，力感運(yùn)放配置允許您使用最少的附加組件輕松設(shè)置所需的增益。但是，在實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)時(shí)，您需要仔細(xì)匹配每個(gè)路徑中的組件，以最大限度地減少增益誤差。

這種整體設(shè)計(jì)的變化伴隨著他們自己的權(quán)衡。例如，您可以通過(guò)使用單個(gè)DAC來(lái)降低復(fù)雜性，但可能會(huì)以額外噪聲為代價(jià)。輸出側(cè)產(chǎn)生的較高噪聲會(huì)降低輸入側(cè)的信噪比（SNR），降低整體性能。

脈沖血氧儀設(shè)計(jì)人員使用兩種通用方法測(cè)量紅光和紅外光。一種方法主要在模擬域中執(zhí)行測(cè)量，使用針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的專(zhuān)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），或者與LED驅(qū)動(dòng)器同步的單個(gè)高分辨率ADC來(lái)測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)的結(jié)果?；蛘?，您可以主要在數(shù)字域中執(zhí)行測(cè)量。這種方法簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，折衷是軟件復(fù)雜性的適度增加。兩種方法的核心是跨阻抗放大器（TIA）將光電二極管輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，供ADC測(cè)量（圖3）。

圖3：脈沖血氧計(jì)使用單個(gè)光電二極管和相關(guān)信號(hào)鏈來(lái)感測(cè)透射或反射光，該信號(hào)鏈包括跨阻抗放大器，濾波器，可編程增益放大器（PGA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 （圖像源：Maxim Integrated）

在脈搏血氧儀中，感興趣的信號(hào)將產(chǎn)生相對(duì)較小的光電二極管電流輸出，特別是與環(huán)境光源產(chǎn)生的電流相比。為了在這種環(huán)境中最大化SNR，TIA本身需要表現(xiàn)出非常低的輸入電流和噪聲。高通濾波器通常用于去除信號(hào)的環(huán)境源分量。最后，可編程增益放大器設(shè)置為使用ADC的全動(dòng)態(tài)范圍，以實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)轉(zhuǎn)換分辨率。

除了精心設(shè)計(jì)LED輸出和光電二極管輸入電路外，脈搏血氧儀設(shè)計(jì)還需要適當(dāng)?shù)臋C(jī)械放置LED相對(duì)于光電二極管的器件。事實(shí)上，脈搏血氧儀使用兩種不同的物理配置來(lái)測(cè)量光輸出。設(shè)計(jì)用于連接手指或耳垂的設(shè)備可測(cè)量紅光和紅外光的傳輸。在這些裝置中，LED和光電二極管放置在相對(duì)側(cè)，通常包含在夾子的相對(duì)臂中。位于夾子的一個(gè)臂中的LED通過(guò)身體部分照射光，而位于相對(duì)臂中的光電二極管讀取透射光水平。

相比之下，設(shè)計(jì)用于佩戴在手腕上或放置在患者身上的裝置前額依賴(lài)于紅光和紅外光的反射。在這些裝置中，LED和光電二極管都位于裝置的同一側(cè)，以便接觸皮膚。反射HRM為用戶(hù)提供了更大的靈活性，因?yàn)樗鼈兛梢苑胖迷谌魏巫銐蚱教沟钠つw區(qū)域。然而，對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，這種方法需要將LED和光電二極管相對(duì)于彼此仔細(xì)定位，以?xún)?yōu)化紅光和紅外光的接收，因?yàn)槊總€(gè)波長(zhǎng)都是從通過(guò)皮膚表面的血流中反射出來(lái)的。

集成解決方案

脈搏血氧儀中使用的差分測(cè)量方法看似簡(jiǎn)單，這掩蓋了嚴(yán)格的模擬和機(jī)械設(shè)計(jì)要求的復(fù)雜性。尋求將HRM功能添加到產(chǎn)品中的開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)將Maxim Integrated MAX30102放入其產(chǎn)品設(shè)計(jì)中而相對(duì)較少的努力，而不是處理機(jī)械問(wèn)題和關(guān)鍵LED輸出和光電二極管輸入電路設(shè)計(jì)。

MAX30102是一款獨(dú)立模塊，可滿(mǎn)足前面所述的電子和機(jī)械要求。除了用于低噪聲LED電流管理和光電二極管信號(hào)采集的電子設(shè)備外，它還包括紅色和紅外LED以及光電二極管，所有這些都是進(jìn)行光吸收測(cè)量的最佳位置。您只需添加一些外部組件即可實(shí)現(xiàn)能夠向主處理器提供心率數(shù)據(jù)的脈搏血氧儀子系統(tǒng)（圖4）。

圖4：Maxim Integrated MAX30102模塊包括LED，光電二極管和相關(guān)的電子電路，只需幾個(gè)額外的元件即可實(shí)現(xiàn)脈沖血氧儀。 （使用Digi-Key Scheme繪制的圖表 - 它）

模塊的紅色LED和IR LED的驅(qū)動(dòng)電流可以單獨(dú)設(shè)置為0到50 mA。此外，LED脈沖寬度持續(xù)時(shí)間可以設(shè)置為69μs至411μs，以?xún)?yōu)化測(cè)量精度和功耗之間的折衷。當(dāng)脈搏血氧儀的傳感器從用戶(hù)的皮膚表面移除時(shí)，集成的接近功能進(jìn)一步有助于降低功率要求。

在輸入端，該設(shè)備集成了一個(gè)完整的SpO2測(cè)量子系統(tǒng)，它結(jié)合了環(huán)境光取消（ALC），專(zhuān)有的離散時(shí)間濾波器和sigma-delta ADC。您可以將18位ADC的滿(mǎn)量程輸入范圍編程為2μA至16μA，采樣速率范圍為每秒50個(gè)采樣至3,200。該模塊的集成溫度傳感器可以補(bǔ)償與溫度相關(guān)的測(cè)量誤差。

測(cè)量過(guò)程

MAX30102可以作為傳統(tǒng)的光電容積描記圖（PPG）在心率模式下工作紅色LED，或使用紅色和紅外LED的SpO2模式。當(dāng)個(gè)體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，心率模式有助于降低功率需求。然而，在活動(dòng)期間，運(yùn)動(dòng)偽像會(huì)使用PPG方法獲得的脈沖信號(hào)變得模糊。憑借其差分測(cè)量方法，SpO2模式可提供穩(wěn)定的測(cè)量，但與正確順序驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED相關(guān)的功率要求和操作復(fù)雜性均有所增加。

支持紅色和紅外LED照明的交替序列，MAX30102提供兩個(gè)LED通道（圖5）。每個(gè)通道可以提供69,118,215或411μs持續(xù)時(shí)間的脈沖，脈沖之間的預(yù)設(shè)時(shí)間分別為358,407,505或696μs。此外，采樣率隱含地設(shè)置脈沖寬度的上限。例如，在3,200 sps的最大采樣率下，脈沖寬度被限制為最大69μs，導(dǎo)致紅色和IR脈沖之間的延遲為358μs（參見(jiàn)圖5）。選定的脈沖寬度還將ADC分辨率設(shè)置為15位（69μs脈沖寬度），16位（118μs），17位（215μs）或19位（411μs）。

圖5：Maxim Integrated MAX30102提供單獨(dú)的通道，用于驅(qū)動(dòng)紅色和紅外LED，具有指定的脈沖寬度，重復(fù)率和紅色和紅外交替脈沖之間的時(shí)間延遲。 （圖像源：Maxim Integrated）

在接收端，MAX30102集成了先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器，可存儲(chǔ)多達(dá)32個(gè)采樣。因此，主機(jī)處理器不需要在每個(gè)樣本之后讀取傳感器輸出數(shù)據(jù)。相反，主機(jī)可以定期獲取補(bǔ)償所需的溫度數(shù)據(jù)，依靠FIFO同時(shí)保留心率數(shù)據(jù)，同時(shí)MAX30102繼續(xù)以預(yù)設(shè)速率采樣（圖6）。

圖6：Maxim Integrated的MAX30102數(shù)據(jù)緩沖器可以定期測(cè)量溫度，而不會(huì)以預(yù)設(shè)的采樣速率中斷紅色和紅外數(shù)據(jù)采集。 （圖像源：Maxim Integrated）

如圖6所示，完整的脈沖血氧飽和度采樣序列首先將器件設(shè)置為SpO2模式，方法是將0x03寫(xiě)入器件模式控制寄存器的2：0位。采樣過(guò)程中，采樣軟件可以將器件溫度配置寄存器中的TEMP_EN位置1，以啟動(dòng)溫度測(cè)量（圖中的事件“1”）。當(dāng)MAX30102完成溫度測(cè)量時(shí)，它會(huì)觸發(fā)TEMP_RDY中斷以提醒主機(jī)（“2”）。反過(guò)來(lái)，當(dāng)主機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)（“3”）時(shí)，中斷被清除。當(dāng)FIFO采樣緩沖區(qū)達(dá)到“幾乎滿(mǎn)”閾值（設(shè)備配置寄存器中設(shè)置的值）時(shí)，器件發(fā)出中斷（“4”），指示主機(jī)讀取FIFO，自動(dòng)清除中斷（“5” “）并將FIFO讀指針調(diào)整到下一個(gè)新樣本（”6“）的位置。由于每次FIFO讀取都會(huì)調(diào)整FIFO指針，因此該過(guò)程可以無(wú)限期地繼續(xù)，直到應(yīng)用程序明確終止SpO2測(cè)量。

<快速開(kāi)發(fā)

對(duì)于希望加速HRM應(yīng)用開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)人員，Maxim Integrated提供其MAXREFDES117＃參考設(shè)計(jì)（參見(jiàn)Digi-Key文章“MAXREFDES117＃：心率和脈搏氧飽和度監(jiān)測(cè)”）。為了幫助您熟悉脈搏血氧儀設(shè)計(jì)，該參考設(shè)計(jì)包括硬件和軟件，它們共同提供完整的獨(dú)立HRM解決方案。該套件的小巧12.7 mm x 12.7 mm板包含MAX30102心率/SpO2傳感器，低權(quán)力MA X1921降壓轉(zhuǎn)換器和MAX14595電平轉(zhuǎn)換器（圖7）。 MAX1921降壓轉(zhuǎn)換器將系統(tǒng)電源降至MAX30102所需的1.8 V電平。 MAX14595電平轉(zhuǎn)換器處理MAX30102接口與主機(jī)板之間的邏輯電平差異。

圖7：Maxim Integrated MAXREFDES117＃參考設(shè)計(jì)包括一個(gè)12.7 mm x 12.7 mm電路板（頂部），它將MAX30102與降壓轉(zhuǎn)換器和電平轉(zhuǎn)換器（底部）相結(jié)合，使其可以與流行的開(kāi)發(fā)板一起使用或任何提供I 2 C接口的MCU。 （圖像源：Maxim Integrated）

參考設(shè)計(jì)板可與任何提供I 2 C接口的MCU一起使用。對(duì)于尋求快速開(kāi)始應(yīng)用開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)人員，Maxim Integrated為ARM?mbed或Arduino平臺(tái)提供了軟件庫(kù)示例。使用樣品軟件，參考設(shè)計(jì)板的功耗低于5.5 mW，并達(dá)到了與領(lǐng)先的胸帶HRM產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木_度（圖8）。

圖8：Maxim Integrated MAXREFDES117＃參考設(shè)計(jì)提供硬件和樣本軟件，可提供接近Polar H7胸帶的測(cè)量精度。 （圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

示例源代碼旨在幫助您熟悉HRM應(yīng)用程序，實(shí)際上提供了一個(gè)全面的HRM基礎(chǔ)庫(kù)。該代碼包括例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 中SpO2算法的完整實(shí)現(xiàn)，它接受以下輸入：

* aun_ir_buffer 指向IR傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針

n_ir_buffer_length IR傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長(zhǎng)度

* aun_red_buffer 指向紅色傳感器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針

例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 更新以下參數(shù)（作為函數(shù)調(diào)用參數(shù)列表中的指針提供）：

* n_spo2 計(jì)算的SpO2值

* ch_spo2_valid “1”如果計(jì)算的SpO2值有效

* n_heart_rate 如果計(jì)算出的心率值有效，則計(jì)算心率值

* ch_hr_valid “1”

Maxim Integrated示例代碼顯示了如何在示例應(yīng)用程序中使用軟件庫(kù)，該應(yīng)用程序在開(kāi)發(fā)人員的控制臺(tái)上顯示獲取的心率數(shù)據(jù)。初始化MAX30102后，示例應(yīng)用程序首先使用例程 maxim_max30102_read_fifo 收集樣本五秒鐘，然后使用例程 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation 計(jì)算心率，繼續(xù)無(wú)限循環(huán)收集采樣和計(jì)算心率直到用戶(hù)終止。

maxim_max30102_init（）;//初始化MAX30102

n_brightness = 0;

< code> un_min = 0x3FFFF;

un_max = 0;

< code> n_ir_buffer_length = 500;//緩沖區(qū)長(zhǎng)度100個(gè)存儲(chǔ)5秒樣本以100sps運(yùn)行

//讀取前500個(gè)樣本，并確定信號(hào)范圍

for（i = 0; i

{

while（INT .read（）== 1）;//等到中斷引腳置位

maxim_max30102_read_fifo（（aun_red_buffer + i），（aun_ir_buffer + i）） ;//從MAX30102讀取FIFO

if（un_min> aun_red_buffer [i]）

un_min = aun_red_buffer [i];//更新信號(hào)min

if（un_max

un_max = aun_red_buffer [i];//更新信號(hào)max

}

un_prev_data = aun_red_buffer [i];

//計(jì)算前500個(gè)樣本后的心率和SpO2（樣本前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）;

//從MAX30102連續(xù)取樣。心率和SpO2每1秒計(jì)算一次

while（1）

<代碼> {

//永遠(yuǎn)循環(huán)，重復(fù)以上序列：

//從fifo讀取樣本

//計(jì)算心率

}

結(jié)論

心率是衡量個(gè)人健康和健康水平的重要指標(biāo)。越來(lái)越多的消費(fèi)者對(duì)測(cè)量這一至關(guān)重要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的興趣使得心率測(cè)量不僅在健身設(shè)備方面，而且在大眾市場(chǎng)可穿戴設(shè)備中也是一個(gè)重要的差異化因素。脈搏血氧儀可為心率測(cè)量提供高度靈活的解決方案，但對(duì)電子，機(jī)械和軟件設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。隨著Maxim Integrated MAX30102生物傳感器模塊和相關(guān)MAXREFDES117＃參考設(shè)計(jì)的推出，您可以使用最少的附加硬件或軟件實(shí)現(xiàn)脈沖血氧儀，幾乎可以用于任何專(zhuān)為健身或日常使用而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。