原標(biāo)題：非接觸人體心率檢測電路設(shè)計(jì)

一、核心需求與技術(shù)選擇

1. 目標(biāo)：

• 通過非接觸方式（光學(xué)或振動）實(shí)現(xiàn)心率檢測，兼顧精度、實(shí)時性與低功耗。

2. 技術(shù)路線：

• 光電容積脈搏波（PPG）法：主流方案，技術(shù)成熟，精度高，適合穿戴設(shè)備。

• 壓電/加速度計(jì)（BCG）法：輔助方案，抗光干擾，適合睡眠監(jiān)測。

• 毫米波雷達(dá)（MMW）法：高端方案，完全非接觸，但成本高、算法復(fù)雜。

• 推薦：優(yōu)先PPG法，復(fù)雜場景可結(jié)合BCG法。

二、電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵模塊

1. 光源驅(qū)動模塊

• 恒流源驅(qū)動，確保光強(qiáng)穩(wěn)定，避免電流波動引入噪聲。

• 綠光LED（530nm）：適合淺膚色，穿透性適中。

• 紅外LED（940nm）：適合深膚色或暗光環(huán)境，抗環(huán)境光干擾。

• 光源選擇：

• 驅(qū)動方式：

2. 光電接收與信號調(diào)理模塊

• 帶通濾波器（0.5Hz~5Hz）：濾除低頻呼吸信號和高頻噪聲，保留心率頻段。

• 可編程增益放大器（PGA）：動態(tài)調(diào)整信號幅度，適應(yīng)不同膚色和光照條件。

• 使用跨阻放大器（TIA）將PD的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

• 高靈敏度硅光電二極管（PD），響應(yīng)波長匹配光源。

• 光電傳感器：

• 信號轉(zhuǎn)換：

• 濾波與放大：

3. 環(huán)境光抑制模塊

• 使用雙PD結(jié)構(gòu)，一個接收反射光信號，一個接收環(huán)境光信號，通過差分運(yùn)算消除干擾。

• LED驅(qū)動與PD采樣同步，僅在LED點(diǎn)亮?xí)r采樣信號，避免環(huán)境光干擾。

• 同步檢測：

• 差分輸入：

4. ADC與微控制器（MCU）處理模塊

• 數(shù)字濾波（如移動平均、小波變換）進(jìn)一步抑制噪聲。

• 峰值檢測或FFT分析提取心率周期。

• 藍(lán)牙/Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

• 高分辨率（≥16位）、高采樣率（≥250Hz）的ADC，確保信號細(xì)節(jié)不丟失。

• ADC選擇：

• MCU功能：

三、優(yōu)化與抗干擾設(shè)計(jì)

1. 光源與接收器布局：

• 光源與PD盡量靠近，減少光路損失。

• 采用遮光罩或黑色硅膠封裝，避免外界光漏入。

2. 運(yùn)動偽影抑制：

• 結(jié)合加速度計(jì)檢測運(yùn)動狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整濾波參數(shù)或標(biāo)記無效數(shù)據(jù)。

3. 溫度補(bǔ)償：

• 溫度變化會影響LED光強(qiáng)和PD靈敏度，需通過負(fù)反饋或校準(zhǔn)算法補(bǔ)償。

四、低成本與低功耗實(shí)現(xiàn)

1. 器件選型：

• 選擇集成度高、功耗低的芯片（如TI的AFE4404集成PPG前端）。

• 使用低功耗MCU（如STM32L系列）和LDO穩(wěn)壓器。

2. 工作模式優(yōu)化：

• 周期性喚醒檢測，其余時間進(jìn)入休眠模式。

• 動態(tài)調(diào)整LED電流和ADC采樣率，平衡功耗與精度。

五、測試與驗(yàn)證

1. 實(shí)驗(yàn)室測試：

• 使用信號發(fā)生器模擬PPG信號，驗(yàn)證電路帶寬和增益。

• 在不同光照（暗室、日光燈、陽光）和膚色（淺、中、深）下測試抗干擾能力。

2. 實(shí)際場景測試：

• 招募志愿者測試心率檢測準(zhǔn)確性，對比ECG設(shè)備數(shù)據(jù)。

• 長時間運(yùn)行測試穩(wěn)定性（如連續(xù)工作72小時）。

六、總結(jié)與擴(kuò)展方向

1. 當(dāng)前方案優(yōu)勢：

• PPG法結(jié)合環(huán)境光抑制和自適應(yīng)濾波，可實(shí)現(xiàn)高精度非接觸心率檢測。

2. 未來優(yōu)化方向：

• 引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，自動識別無效數(shù)據(jù)（如運(yùn)動偽影）。

• 探索多模態(tài)融合（PPG+BCG+MMW），提升復(fù)雜場景下的可靠性。

通過以上設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)一款低成本、高精度、低功耗的非接觸心率檢測電路，適用于智能手表、健康監(jiān)測儀等設(shè)備。