Разматрања системске интеграције дизајнирања срчане фреквенције

Racism, School Desegregation Laws and the Civil Rights Movement in the United States (Јун 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Када је реч о оптичким ХРМ дизајцима, програмери имају избор да раде све или купују све

БИ МОРРИЕ АЛТМЕЈД, виши кадровски инжењер система
Силицон Лабс
ввв.силабс.цом

Дизајнирање оптичког система за праћење срчане фреквенције (ХРМ), познатије и као пхотоплетхисмограпхи (ППГ), представља сложен и мултидисциплинарни подухват. Пројектни фактори укључују људску ергономију, обраду сигнала и филтрирање, оптички и механички дизајн, нискошумне сигнале за пријем сигнала и стварање нискоушег струјног импулса.

Произвођачи који се издржавају све више додају ХРМ могућности својим здрављем и фитнес производима, што помаже у смањењу трошкова сензора који се користе у ХРМ апликацијама. Многи ХРМ сензори сада комбинују дискретне компоненте као што су фотодетектори и ЛЕД диоде у високо интегрисане модуле. Ови модули омогућавају једноставну имплементацију која смањује трошкове и комплексност додавања ХРМ-а на носиве производе.

Животни облици фактора стално се мијењају. Док су ремен за груди ефикасно служили тржишту здравља и фитнеса већ годинама, ХРМ се сада мигрира на ношење на основи зглоба. Напредак у технологији оптичког сенсинга и процесорима са ниском снагом високих перформанси омогућили су да се облик фактора заснован на зглобу одржи за многе дизајне. ХРМ алгоритми су такође достигли ниво софистицираности како би били прихватљиви у факторима зглобова.

Појављују се нови нови фактори и локације за ношење са сензором који се могу носити - као што су траке за главу, спортска и фитнес опрема и слушни апарати. Међутим, већина биометријског сензора који се може носити биће урадјен на зглобу.

Основе ХРМ дизајна
Нема две ХРМ апликације. Развијачи система морају узети у обзир многе дизајнерске компромисе: удобност крајњег корисника, прецизност сензора, трошкове система, потрошњу енергије, одбацивање сунчеве светлости, како се бавити многим типовима коже, одбацивањем покрета, временом развоја и физичком величином. Ови пројектни разлози утичу на изборе интеграције система: да ли да користе високо интегрисане модуле или архитектуре који садрже више дискретних компоненти.

Слика 1: Принцип рада за контролу оптичког срчане фреквенције.

Слика 1 приказује основе мерења сигнала срчане фреквенције, који зависе од таласа притиска срчане фреквенције који се оптички извлачи из ткива. Приказује путању путања светлости која улази у кожу. Проширење и контракција капилара - узрокованих таласима притиска срчане фреквенције - модулирају светлосни сигнал који се убризгава у ткиво зеленим ЛЕД-ом.

Примљени сигнал је у великој мјери умањен путовањем кроз кожу и подиже се фотодиодом и шаље у електронски подсистем за обраду. Амплитуда модулација услед импулса се детектује, анализира и приказује.

Основни приступ дизајнирању ХРМ система користи програмирани МЦУ који се контролише по мери, који контролише пулсирање спољашњих ЛЕД драјвера и истовремено чита тренутни излаз дискретног фотодиода. Имајте на уму да се тренутни излаз фотодија мора претворити у напон за покретање аналогно-дигиталних (А / Д) блокова. Схема на слици 2 приказује нацрт оваквог система.

Слика 2: Основна електроника потребна за снимање оптичког срчане фреквенције.

Овде, вреди напоменути да претварач И-то-В ствара напон једнак В РЕФ на 0 фотодиода струји, а напон се смањује са повећањем струје.

ХРМ грађевински блокови
Садашњи импулси који се генерално користе у системима срчане фреквенције су између 2 мА и 300 мА, у зависности од боје коже субјекта и интензитета сунчеве светлости са којом се жели конкурентни сигнал. Инфрацрвено (ИР) зрачење на сунчевој светлости пролази кроз ткиво коже са мало слабљења, за разлику од жељеног зеленог ЛЕД осветљења, и може преплавити жељени сигнал, осим ако је зелено светло јако јако или ако није додан скупни ИР филтер за блокаду.

Уопштено говорећи, интензитет зеленог ЛЕД светла, где улази у кожу, је између 0, 1 и три пута већи од интензитета сунчеве светлости. Због тешког слабљења ткива, сигнал који долази на фотодиоде је прилично слаб и ствара довољно струје да би се омогућио разумни однос сигнала-шум (СНР) од 70 до 100 дБ због шумовог удара чак иу присуство савршених, оптерећења без оптерећења и А / Д претварача.

Шум шута је последица коначног броја електрона примљених за свако читање које се јавља при 25 Хз. Димензије фотодиода коришћене у дизајну су између 0, 1 мм 2 и 7 мм 2 . Међутим, изнад 1 мм, смањују се повратак услед дејства сунчеве светлости.

Тешки и скупи функционални блокови за имплементацију у дизајну оптичког срчане фреквенције, као што је приказано на слици 2, су брзи, високотоковни В-то-И претварачи који покрећу ЛЕД, претварач струје и напона за фотодиода и поуздан алгоритам у МЦУ који секвенце пулсира под контролом домаћина. Низко шумни ЛЕД драјвер - са 300 мА и 75-100 дБ СНР - који се може поставити на врло ниске струје до 2 мА док још ствара врло уске светлосне импулсе до 10 μс је скуп скуп за постизање са дискретним оп- ампера.

Уски пулсеви светлости до 10 μс, приказани на слици 2, омогућавају систему да толерише кретање и сунчеву светлост. Уобичајено се врши два мерења светлости за сваки узорак од 25 Хз. Једно мерење се узима са искљученим ЛЕД-ом и укљученим ЛЕД-ом. Израчуната разлика уклања ефекат амбијенталног светла и даје жељено мерење сировог оптичког сигнала који није осетљив на светлост треперења позадине.

Кратко трајање оптичких импулса омогућава и захтева релативно јак светлосни импулс. Од суштинског је значаја остати светлији од сигнала сунчеве свјетлости, која може бити присутна и не дозвољава носачу сигнала ППГ да буде дварфиран сигналом сунчеве свјетлости.

Ако је сигнал сунчеве светлости већи од носача ППГ, иако се може уклонити одузимањем, сигнал може бити толико велики да спољна модулација, као што је љуљање руке у или из сенке, може створити тешко уклоњене артефакте. Као резултат, системи који користе ниско-струјне ЛЕД драјвере и велике фотодиоде могу строго пасти од артефаката покрета у ситуацијама сјајног осветљења.

Дискретни против интегрираног дизајна
Већина жељених функционалности ХРМ сензора доступна је унапред дизајнирана и интегрисана у један уређај. Паковање већине ове функционалности у један комад силикона резултира релативно малим пакетом од 3 к 3 мм који може чак и интегрисати саму фотодиоду.

Слика 3 приказује пример шема са оптичким сензором. Овај ХРМ дизајн је релативно једноставан за имплементацију. Само треба да се усредсредите на оптички део дизајна који укључује оптичко блокирање између делова на плочи и спајање система на кожу.

Слика 3: Сензор за интегрисану срчану фреквенцију захтева само екстерне ЛЕД диоде.

Док приступ који је приказан на Слици 3 резултира у ХРМ решењу високих перформанси, он није тако мали или енергетски ефикасан као што би неки дизајнери жељели. Да би се постигло још мање рјешење, ЛЕД матрица и контролни силикон морају бити интегрисани у један пакет који укључује све основне функције, укључујући оптичко блокирање и сочива која побољшавају ЛЕД излаз. Слика 4 илуструје овај интегрисани приступ, заснован на Силицон Лабс Си117к оптичком сензору.

Слика 4: Високо интегрирани ХРМ сензорски модул који садржи све основне компоненте.

За овај дизајн ХРМ-а нису потребне спољашње ЛЕД диоде. Светлеће диоде и фотодиода су у унутрашњости модула, који се могу инсталирати одмах испод оптичких портова на задњем делу уређаја који се може носити, као што је паметни штап. Овај приступ омогућава краћу дистанцу између ЛЕД-а и фотодијада него што је то могуће са дискретним дизајном. Смањено растојање омогућава рад са изузетно ниском снагом због смањења оптичких губитака кроз кожу.

Интегрисање ЛЕД диода такође се бави проблемом цурења светлости између ЛЕД-а и фотодијаде, тако да дизајнер не мора додати оптичко блокирање на ПЦБ. Алтернатива овом приступу је руковање блокирањем пластичним или пјенастим уметцима и специјалним слојевима бакра на ПЦБ-у.

Постоји још један дио ХРМ дизајна који програмери не морају нужно креирати: ХРМ алгоритам. Овај софтверски блок који се налази на хост процесору је сложен због корупције сигнала који се јавља током вежбања и кретања уопште. Кретање крајњег корисника често ствара свој сопствени сигнал који замагљује стварни сигнал срчане фреквенције и понекад је лажно препознат као утјецај срчане фреквенције.

Ако носилац пројекта или произвођач нема довољно средстава за развој алгоритма, произвођачи независних произвођача обезбеђују овај софтвер на лиценцираној основи. На дизајнеру је да одлучи колико је интеграција исправна за ХРМ апликацију. Програмер може поједноставити процес дизајнирања и брзину времена на тржиште тако што се одлучио за високо интегрисани приступ заснован на модулима користећи лиценцирани алгоритам.

Развијаци са детаљном експертизом, временом и ресурсима оптичког осјећаја могу се одлучити за кориштење одвојених компоненти - сензора, фотодиода, сочива и сл. - и вршити сопствену системску интеграцију, па чак и креирати свој властити ХРМ алгоритам.