设计与实现一个光学心率测(HRM)系统(又称光电容积脉搏波技术，简称PPG)是一类复杂的、涉及多个领域的项目。设计要素包括人体工程学 、信号处理与过滤、光学和机械设计、低噪声信号接收电路以及低噪声电流脉冲发生器。

可穿戴电子产品制造商正在不断为其保健与健身产品添加心率监测功能，集成化也正在推动心率监测应用中传感器的成本不断降低。目前，许多心率检测传感器都在其高度集成的模组中包含了一些分离的元器件，如模拟前端(AFE)、光电管检测器和发光二极管等。这些模组支持更便捷的实现方式，可在将心率监测功能加入到可穿戴产品中时降低其成本和复杂性。

可穿戴产品的外观形态也在逐渐改变。在胸带已经有效地服务了保健与健身市场多年的同时，心率监测功能现在正在进入到各种手腕佩戴产品中。光学感测技术与高性能、低功耗处理器等方面的技术进步，已经促使手腕佩戴这种外形可适用于许多设计;心率检测算法的精密度也已到达了一种新的水平，从而可以被采用手腕佩带外形的产品所接受。其它新的可穿戴感测应用外观形态和应用场景也在不断涌现，比如头带、体育与健身服装、以及耳塞等。但是，可穿戴生理指标监测的最主要应用场景还将归集于手腕。

没有两种心率监测应用是完全相同的，系统开发人员必须考虑许多设计折中：如产品的舒适性、感测的精度、系统成本、功耗、阳光影响、处理许多皮肤类型、运动影响、开发时间和物理大小等等。所有这些设计因素都影响系统集成，是采用高集成度模组解决方案，抑或是采用集成了更多分离元器件的架构。

图1展示了测量心率信号的基本方法，它依赖于用光学方法从人体组织上提取的心率压力波。图1说明了光进入皮肤后传输的途径：由心率压力波引起的毛细血管舒张和收缩运动对由绿色LED注入人体组织的光信号进行了调制。接收到的信号因为通过了皮肤而被大大地衰减，它被一个光电管接收并送到电子子系统中去处理。源自脉搏的振幅调制信号被检测(过滤掉运动噪声)、分析和显示。

心率监测系统设计的一种基本方法采用了一种定制的的微控制器(MCU)，它被用于控制外部LED驱动器的脉冲信号发生，并同时读取一个分离的光电管上的电流输出数据。已知光电管的电流输出必须转换为电压，输出给模拟到数字转换(A/D)单元，图2中的原理图说明了这类系统的基本原理。已知电流到电压转换器在光电管电流为0时产生一个等于VREF的电压，而随着电流的增加电压将下降。

用在心率系统中的电流脉冲通常在2mA到300mA之间，具体数值取决于被测的皮肤颜色，以及所期望的信号必须抵消阳光。阳光中的红外辐射透过皮肤组织时的衰减很小，这与期望采用的绿光LED发出的光线不同，所以它能够淹没绿光的信号，除非所采用的绿光非常强，或者添加一个昂贵的红外线阻断滤波器。在通常情况下，射入皮肤的绿色LED光线的强度，是阳光强度的0.1倍到3倍。由于人体组织的严重衰减作用，到达光电管的信号非常微弱，需要产生仅够使用的电流来实现合理的70-100dB信噪比(SNR)，以便在即使是有完美的、无噪声运算放大器和A/D转换器的情况下来消除噪声。采用这种消噪的原因是在每秒25次的数据读取中，每次光电管都会接收到一定数量的电子。设计中所采用的光电管的大小在0.1 mm2到7 mm2之间。但是，当它大于1mm时就会因阳光的影响而出现不确定的返回值。

如图2所示，在一个光电心率系统设计中，难以实现和成本很高的功能模块分别是：快速的、大电流的驱动LED的电压到电流转换器，用于光电管的电流到电压转换器，以及运行算法和对序列信号进行处理的MCU。一个可被设置到低至2mA的很低电流，但同时仍然能产生短至10µs的非常窄的光脉冲低噪声(75 - 100 dB SNR)300mA LED驱动器也是一个用分离器件实现起来非常昂贵的模块。

图2中所示的短至10µs的窄光脉冲支持系统去容忍运动和阳光，典型的方法是每秒25次采样率下的每次次的快速光测试，一次测量是在LED关闭的情况下完成的，而另一次则是在LED打开的情况下完成。计算得出的差值消除了环境光的影响，重要的是给出了对闪烁的背景光不敏感的期望的原始光信号测量值。

极短的光脉冲可以提供更强的光脉冲，可以比阳光的亮度更高，这也许是目前的解决方案并使PPG信号载波不被阳光信号所破坏的方法之一。如果阳光信号大于PPG载波，尽管它可以通过减法被消除，但是手臂运动会带来的难以消除的噪声。所以系统会使用一个低电流的LED驱动器和大面积的光电管对运动和阳光噪声进行补偿。

许多期望的心率检测感测功能可以通过预先的设计和集成，用仅仅一个器件来实现。将该项功能的大多数电路集成到一块芯片中，可实现相对较小的3 mm x 3 mm封装，这甚至可以把光电管自己集成于其中。

图3以Silicon Labs的Si118x光学传感器为例来说明电路原理，基于此器件可以相对方便地实现心率检测设计。工程师只需专注于设计的光学部分，其中包括电路板上各部分间的光学单元和将该系统如何与皮肤配合。

图3所示的方法可以实现高性能的心率检测解决方案，它并不是一些设计师所期望的小型化或高功效方案。 为了实现更小的解决方案，LED片芯和控制芯片必须被集成到同一个封装中，其中集成了所有的必需的功能，包括光学单元和可以改善LED输出的透镜。图4说明了这种集成度更高的解决方案，它基于Silicon Labs的Si117x光学传感器。

这种心率检测设计不需要额外的LED，因为LED和光电管都集成在模组内部了，而该模组可以直接安装在光学界面的下面，亦即诸如智能手表等可穿戴产品的后盖里面。这种颇具优势的方法使LED与光电管之间的距离短于分离器件设计，这种更短的距离支持极低功耗的运行，这是因为在穿透皮肤时的光损失更低。

集成多个LED也解决了LED与光电管之间的光泄漏问题，其结果是设计人员不必在印刷电路板上添加光阻隔离。不采取这种方法的结果是，用塑料或者泡沫插入物和印刷电路板上的特别铜层来处理隔离。

当然，其中还有一款心率检测设计的开发人员不必去关心的部分：心率检测算法。这个寄附在主处理器上软件单元非常复杂，其原因是在用户锻炼或者进行运动时会发生信号变差的情况。最终用户的运动通常会产生其自身的信号，它们可能欺骗真正的心率信号，并在有些时候被错误地认作是心率节奏。

如果一家可穿戴产品的开发人员没有开发算法的资源，第三方供应商可以以软件授权交易的提供这种软件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光学传感器心率算法，它们可以在编译后运行在大多数处理器上。

当然，最终由设计师来决定各种心率检测应用中需要多高的集成度才合适， 设计人员能够用高集成度的模组化解决方案和购买算法授权去简化设计过程并加快产品上市。对于对光学感测有深入认识、同时时间及资源也颇为丰沛的开发人员，这可以选择使用分离元器件(传感器、光电管和镜头等等)及自己的系统集成，甚至还可以开发他们自己的心率检测算法。最终，当我们进行心率监测系统设计时，设计师可以选择全部靠自己去完成，或是全部从外部购买。

在自动控制系统中，执行器同控制器或控制系统相连，共同实现对工业过程的控制。现场总线是过程控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三大技术领域相结合的产物。WorldFIP现场总线既是实时的，可预测的，又是面向未来的、能够和Internet连接的现场总线。本文对开发基于WorldFIP现场总线技术的智能电动执行器的软硬件进行了探讨，包括：MCU控制板卡，通信板卡和驱动板卡，以及相关软件程序的设计与开发。

1、引言

现场总线是从20世纪80年代中期发展起来的。随着工业自动化与微处理器计算机网络的不断发展，要求有一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统以形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。上世纪八、九十年代以来，逐步出现多种智能执行器，本文主要完成一种基于WorldFIP现场总线技术的智能电动执行器设计。

2、电动执行器硬件整体架构及框图

整体硬件框图如图1。两条现场总线1，2互为热备份，连到通信板卡，通信板卡将总线活动转换为MCU能够理解的信息，完成总线变量、消息、事件的传递，它是WorldFIP现场总线通信协议的具体实现，它的设计也是本设计中的重点和难点。MCU是本仪表的处理核心，所有的程序、数据、算法、功能块和通信库都存储其中，用户程序使用它内置的通信库来完成与总线的数据交换，并按照总线指令驱动执行器输出，把执行器角位置经过A/D转换后送入总线，对执行器角位置的命令值和当前反馈值通过LCD进行实时显示。电源转换、电机的驱动与隔离以及角位置反馈都集成在驱动板卡上。

3、硬件电路详细设计

3.1MCU板卡与LCD设计

MCU作为整个控制器的处理核心，任务包括：通过通信板卡与WorldFIP现场总线进行通信，程序运行、数据存储与运算，信号处理，LCD显示和执行器驱动信号输出等。

基于以上，我们选用了Motorola的68HC12系列的16位单片机68HC912BC32作为本设计的MCU，它与68HC11向上兼容；内部具有32K的FLASH、768字节的EEPROM和1K的RAM，能够满足程序的存储、堆栈使用、数据存储和未来的扩容需求而无须另外扩充存储器；总线速度快，8M，4M，2M主频可选，一个时钟周期就可以完成对齐/非对齐字的读写，系统总线上干扰较少；I/O口数量充足；内置有8路10位A/D转换器；内置4路8位或2路16位PWM通道；内置SCI，SPI和看门狗；具有模糊逻辑指令；还有WAIT，STOP两种省电模式可选。LCD显示器选用了南京国显公司的HD44780点阵字符型液晶显示模块。该模块技术成熟，与MCU接口简单，减少了开发周期。68HC12与LCD的接口如图2所示。

3.2电源转换、驱动及反馈板卡的开发

本设计的电源输入DC24V，硬件采用LM2572-5.0来完成DC24V到DC5V的转换，LM2572-12来完成DC24V到DC12V的转换。LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下并不需要散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。典型特性：振荡频率54kHz；最大稳压误差4%；转换效率75%～88%(不同电压输出的效率不同)；工作温度范围-40℃～+125℃。

位置反馈模块。该模块作用是将电动机经减速器输出的角位置反馈到68HC12中，可以考虑光电编码器和霍尔传感元件，但考虑到价格因素，本设计中仍然沿用了传统的电位器反馈，阻值500欧姆，精度1%。接线比较简单。

本设计所使用的电机是天津生产制造的3100型角行程电动执行器，额定转矩250Nm，4~20mA电流驱动，采用电位器反馈。在电机驱动中采用了北京科通电子继电器总厂生产的国冠牌JGX-3F型交流固态继电器。图3所示为驱动电动机正转的应用电路图，68HC12将控制信号置为高电平，使三级管导通，固态继电器输入端加入正向压降，输出导通，电机正转。电动机反转的应用电路图与之类似。