The wearable device has been one of the hottest products after the invention of the mobile phone.Except for the function of step calculation, common electronic bracelet and smart watch have integrated the function of heart rate monitoring in order to improve the added value and competitiveness of their products.This text will introduce the principle and solutions of optical heart rate monitoring design.
要件に応じて異なる統合レベルを持つモジュール
ウェアラブル電子機器のメーカーは、健康・フィットネス製品に心拍数モニタリング機能を絶えず追加しています。これらの心拍数モニタリング センサーには、アナログ フロント エンド (AFE)、光検出器、発光ダイオード (LED) などのいくつかの独立したコンポーネントが高度に統合されたモジュールに含まれています。これらのモジュールは、ウェアラブル製品に心拍数モニタリング機能を追加できる、より便利な実装モデルをサポートしています。同時に、コストと複雑さを軽減し、心拍数モニタリングセンサーのコストの継続的な削減を促進することができます。
各心拍数モニタリングの用途は、システム開発者が製品の快適性、感知精度、システムコスト、消費電力と日光除去、複数の肌タイプの管理、動きの除去、開発時間、物理的サイズなど、多くの設計要件を考慮する必要があるため、同一ではありません。これらの設計要因はすべて、高度に統合されたモジュールソリューションの採用や、より多くの個別コンポーネントが統合されたアーキテクチャの採用など、システム統合のモードに影響を与えます。
光学的心拍数モニタリング (HRM) システム (Photo Plethysmo Graphy技術、略してPPGとも呼ばれます) の設計と実現は、多くの分野が関与する複雑なプロジェクトです。 設計要素には、人間工学、信号処理とフィルタリング、光学および機械設計、低ノイズ信号受信回路、低ノイズ電流パルス生成が含まれます。
心拍信号を測定する基本的な方法は、人体組織から心拍圧力波を抽出する光学モードを採用しています。皮膚に入った後の光線の伝達経路と、心拍圧力波によって引き起こされる血液の膨張と収縮の動きを観察することにより、緑色LEDから注入された人体組織内の光信号を変調することができます。受信信号は、 skinを通過した後に大幅に減少し、フォトダイオードによって管理される電子サブシステムに受信されて送信されます。パルスから得られる振幅変調信号が検出され（モーションノイズが除去され）、分析され、表示されます。
心拍数モニタリング システム設計の基本的な方法の1つは、外部LEDドライバのパルス信号生成を制御し、個別のフォトダイオードの現在の出力データを読み取るために使用されるカスタマイズされたマイクロコントローラ (MCU) を採用することです。指定されたフォトダイオードの電流出力は電圧に変換され、アナログ-デジタル (A/D) ブロックに出力する必要があります。
心拍数システムに適用されるパルス電流は通常2mA ～ 300mAです。詳細な値は被写体の肌の色と日光によって異なり、望ましい信号を得るためにはこれらを打ち消す必要があります。太陽光に含まれる赤外線は皮膚組織を透過する際にわずかにしか減少しませんが、これは期待される緑色LEDによって生成される光線とは異なります。したがって、採用された緑色光が非常に強いか、高価な赤外線遮断フィルターが追加されていない限り、緑色光の信号を吸収する可能性があります。皮膚に浸透する緑色LED光線の強度は、通常、太陽光強度の0.1 ～ 3倍です。
Silicon LabsのSi118x光センサーは、心拍数モニタリング設計を比較的便利な方法で実現できるため、エンジニアは、回路基板とシステムのさまざまな光学ユニットを皮膚とどのように一致させるかなど、設計の光学部分のみに集中する必要があります。この方法は強力な心拍数モニタリング ソリューションを実現できますが、一部の設計者が期待する小型化や高効率化の方式ではありません。
より小型のソリューションを実現するには、LEDダイと制御シリコンを単一のパッケージに統合し、LED出力を向上させるための光学ユニットやレンズなど、必要なすべての機能を統合する必要があります。 Silicon LabsのSi117x光センサーは、より高い統合レベルを備えたソリューションです。
この種の心拍数モニタリング設計では、LEDとフォトダイオードがモジュールに統合されており、スマートウォッチなどのウェアラブル製品の背面カバーなどの光ポートの下に直接取り付けることができるため、追加のLEDは必要ありません。この主要な方法により、LEDとフォトダイオード間の距離が個別のデバイス設計よりも短くなり、皮膚への浸透による光損失が少なくなるため、非常に低い消費電力での動作がサポートされます。複数のLEDを統合すると、LEDとフォトダイオード間の光漏れの問題も解決できるため、設計者はプリント回路基板に遮光を追加する必要がなくなります。
Silicon Labsは、コンパイル後にほとんどのプロセッサで実行できる、Si117x/8x光センサーに適用される心拍数アルゴリズムも提供しています。ウェアラブル製品の開発者がアルゴリズムを開発するためのリソースを持っていない場合、ソフトウェアライセンスベースの方法でサードパーティのサプライヤーからこの種のソフトウェアを入手できます。
もちろん、さまざまな心拍数モニタリング アプリケーションに適した統合レベルを最終的に決定する責任は設計者にあります。設計者は、高度に統合されたモジュール ソリューションを使用し、ライセンスされたアルゴリズムを購入することで、設計手順を簡素化し、製品の発売を加速できます。光センシングに対する深い理解と、豊富な時間とリソースを持つ開発者は、分離されたコンポーネント（センサーs同社は、独自の心拍数モニタリング アルゴリズムを開発し、製品の市場細分化を行っています。