WO2016045453A1 - 超低功耗的ppg信号采集电路及采集方法 - Google Patents

超低功耗的ppg信号采集电路及采集方法 Download PDF

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崔予红
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成都维客亲源健康科技有限公司
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    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/0245—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate by using sensing means generating electric signals, i.e. ECG signals
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    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors

Definitions

  • the present invention relates to an ultra low power PPG signal acquisition circuit and an acquisition method.
  • Photo Plethysmo Graphy is an important physiological signal that is widely used to analyze cardiovascular systems and blood components.
  • PPG is measured by using two or more types of LEDs (light-emitting diodes).
  • Wearable devices based on health monitoring are often used for PPG information collection.
  • Traditional methods include primary amplification, low-pass filtering, high-pass filtering, automatic gain control, and integral control to control and process the photoplethysmographic pulse wave.
  • the circuit is complicated, the reliability is low, and the power consumption is high.
  • the object of the present invention is to overcome the deficiencies of the prior art, and provide an ultra-low power PPG signal acquisition circuit and an acquisition method.
  • the circuit of the invention has a simple structure, can effectively detect a PPG signal, and has low power consumption. wide. .
  • an ultra-low power PPG signal acquisition circuit which includes a light emitting module and a light receiving information processing module, the light emitting module including a light emitting diode D 1 and a resistor R1, the light-emitting diode D1 is connected to the resistor R1;
  • the light-receiving information processing module comprises a photodiode D2, a D/A converter DAC, a current-voltage converter!/V, a G amplifier and an A/D converter ADC1
  • the D/A converter DAC is connected to the current-voltage converter I/V through the resistor R2, the photodiode D2 is connected to the current-voltage converter I/V, the current-voltage converter I/V is connected to the G amplifier, and the G amplifier Connected to the A/D converter ADC1.
  • the light-emitting module is connected in series with the power-saving switch SW1 in the power supply loop, and the power-saving switch SW2 is connected in series with the current-voltage converter I/V and the amplifier G.
  • the power-saving switches SW1 and SW2 implement the ⁇ and turn-off circuits in the sampling to save energy.
  • the D/A converter DAC is a saturation of an amplifier in a circuit that adjusts signal acquisition.
  • A/D conversion circuit ADC2 for pre-sampling, the input of the A/D conversion circuit is connected to the output of the current-to-voltage converter I/V, and the current-to-voltage converter I/V The output voltage is measured, and after the calculation, the DA correction value can be given in one step, and the correction time is accelerated.
  • Comparator C1 and Comparator C2 can quickly evaluate the saturation of amplifier G without the need for ADC1 conversion to know if amplifier G is saturated.
  • the input of the A/D conversion circuit ADC1 is connected to the output of the G amplifier, and the output voltage of the amplifier is measured, that is, the PPG signal is measured for algorithm calculation.
  • S3 The photodiode D2 receives the light signal reflected by the skin
  • S4 Current-to-Voltage Converter! /V converts the light signal reflected by the photodiode D2 to the skin into an electrical signal
  • S5 Current-to-Voltage Converter! The electrical signal output from the /V is amplified by the amplifier and then digital-to-analog converted to output the converted value, that is, the digitized PPG signal is sampled.
  • comparator C1 and comparator C2 quickly evaluate whether the amplifier G is saturated, and it is not necessary to convert the ADC1 to know whether the amplifier G is saturated, such as near saturation, AD.
  • C2 Sampling Current-to-Voltage Converter I/V output adjusts the output of D/A converter DA to make the amplifier enter the amplification area.
  • It also includes a current-to-voltage converter! /V output monitoring step, measuring the output voltage of the current-to-voltage converter I/V, calculating the DA value of the D/A converter for one-step DA correction after calculation Value size
  • the emitted light is pulsed light, and the photodiode D2 receives the optical signal reflected by the skin as a pulsed light signal.
  • the beneficial effects of the present invention are as follows:
  • the present invention provides an ultra-low power PPG signal acquisition circuit and a collection method.
  • the circuit of the invention has a simple structure, can effectively detect a PPG signal, has low power consumption, and has a wide application range. Brief description of the drawing
  • 1 is a circuit block diagram of a circuit
  • FIG. 2 is a flow chart of a signal acquisition method.
  • an ultra-low power PPG signal acquisition circuit includes a light emitting module and a light receiving information processing module, and the light emitting module includes a light emitting diode D1 and a resistor R1, and the light emitting diode D1 Connected to the resistor R1;
  • the light receiving information processing module includes a photodiode D2, a D/A converter DAC, a current-to-voltage converter!/V, a G amplifier, and an A/D converter ADC1, the D/A conversion described DA C is connected to current-to-voltage converter I/V through resistor R2, photodiode D2 is connected to current-voltage converter! /V, current-voltage converter I/V is connected to G amplifier, G amplifier and A/D converter ADC1 connection.
  • the light-emitting module is connected in series with the power-saving switch SW1 in the power supply loop, and the power-saving switch SW2 is connected in series with the current-voltage converter I/V and the amplifier G.
  • the power-saving switches SW1 and SW2 implement the ⁇ and turn-off circuits in the sampling to save energy.
  • the D/A converter DAC is a saturation of an amplifier in a circuit that adjusts signal acquisition.
  • A/D conversion circuit ADC2 for pre-sampling, the input of the A/D conversion circuit is connected to the output of the current-to-voltage converter I/V, and the current-to-voltage converter I/V The output voltage is measured, and after the calculation, the DA correction value can be given in one step, and the correction time is accelerated.
  • the inverting input of the comparator C1 and the inverting input of the comparator C2 are connected to the output of the amplifier G, and the associated voltage comparison reference value is connected in the same phase. .
  • the comparator CI and the comparator C2 can quickly evaluate whether the amplifier G is saturated or not, and it is not necessary to convert the ADC1 to know whether the amplifier G is saturated or not.
  • the input of the A/D conversion circuit ADC1 is connected to the output of the G amplifier, and the output voltage of the amplifier is measured, that is, the PPG signal is measured for algorithm calculation.
  • S1 the system is powered on
  • S2 The light emitting diode D1 emits light to illuminate the skin
  • S3 The photodiode D2 receives an optical signal reflected by the skin
  • S4 Current-to-Voltage Converter! /V converts the light signal reflected by the photodiode D2 to the skin into an electrical signal
  • S5 Current-to-Voltage Converter! The electrical signal output from the /V is amplified by an amplifier and then digital-to-analog converted to output the converted value, that is, digitized PPG signal sampling.
  • comparator C1 and comparator C2 quickly evaluate whether the amplifier G is saturated, and it is not necessary to convert the ADC1 to know whether the amplifier G is saturated, such as near saturation, AD.
  • C2 Sampling Current-to-Voltage Converter I/V output adjusts the output of D/A converter DA to make the amplifier enter the amplification area.
  • It also includes a current-to-voltage converter! /V output monitoring step, measuring the output voltage of the current-to-voltage converter I/V, calculating the DA value of the D/A converter for one-step DA correction after calculation Value size
  • the emitted light is pulsed light, and the photodiode D2 receives the optical signal reflected by the skin as a pulsed light signal.
  • the photocurrent of the photodiode D2 in the PPG signal acquisition circuit of the present invention represents the PPG signal, which can be expressed by:
  • constant A and constant B are related to R2, IV transimpedance, and G amplifier gain.

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Abstract

一种超低功耗的PPG信号采集电路，包括光发射模块和光接收信息处理模块。该光发射模块包括发光二极管D1和电阻R1。该发光二级管D1与电阻R1连接。该光接收信息处理模块包括光敏二极管D2、D/A转换器DAC、电流电压转换器I/V、G放大器和A/D转换器ADC1。该D/A转换器DAC通过电阻R2与电流电压转换器I/V连接。光敏二级管D2与电流电压转换器I/V连接。电流电压转换器I/V与G放大器连接。G放大器与A/D转换器ADC1连接。还公开了采用该电路进行PPG信号采集的方法。

Description

超氐功耗的 PPG信号釆集电路及釆集方法 技术领域
[0001] 本发明涉及一种超低功耗的 PPG信号采集电路及采集方法。
背景技术
[0002] 光电容积脉搏波 (Photo Plethysmo Graphy， 以下简称 PPG)是一种重要的生理信 号， 广泛地应用对心血管系统和血液成分进行分析。 如对血氧饱和度的测量中 就是采用 2种或 2种以上的 LED (发光二极管)测量 PPG而实现的。
[0003] 基于健康监测的可穿戴设备往往是对 PPG信息采集， 传统方法是初级放大， 低通滤波， 高通滤波， 自动增益控制， 积分控制等电路进行光电容积脉搏波进 行控制和处理， 这样造成电路复杂， 可靠性低， 功耗高等不足。
技术问题
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种超低功耗的 PPG信号采集电 路及采集方法， 本发明电路结构简单， 能够有效的检测 PPG信号， 功耗低， 适用 范围广。 。
问题的解决方案
技术解决方案
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 超低功耗的 PPG信号采集电路， 它包括光发射模块和光接收信息处理模块， 所述的光发射模块包括发光二极管 D 1和电阻 Rl， 所述的发光二极管 D1与电阻 R1连接； 所述的光接收信息处理模块 包括光敏二极管 D2、 D/A转换器 DAC、 电流电压转换器!/ V、 G放大器和 A/D转换 器 ADC1 , 所述的 D/A转换器 DAC通过电阻 R2与电流电压转换器 I/V连接， 光敏二 极管 D2与电流电压转换器 I/V连接， 电流电压转换器 I/V与 G放大器连接， G放大 器与 A/D转换器 ADC1连接。
[0006] 它还包括节电幵关 SW1和节电幵关 SW2， 光发射模块与节电幵关 SW1串联在电 源回路中， 节电幵关 SW2串联在电流电压转换器 I/V和放大器 G的电源回路中， 节电幵关 SW1、 SW2在采样中实现幵和关闭电路， 达到节省能量的目的。 [0007] 所述的 D/A转换器 DAC是调整信号采集的电路中的放大器的饱和。
[0008] 它还包括一个用于前级采样的 A/D转换电路 ADC2， 所述的 A/D转换电路的输入 与电流电压转换器 I/V的输出连接， 对电流电压转换器 I/V的输出电压进行测量， 在计算后能够一步给出 DA修正值大小， 加快修正吋间。
[0009] 它还包括两个比较电路即比较器 C1和比较器 C2， 比较器 C1的反相输入端、 比 较器 C2的反相输入端与放大器 G的输出连接， 同相连接相关电压比较参考值。 比 较器 C1和比较器 C2能够快速对放大器 G是否饱和做出评估， 而不需要 ADC1转换 就能得知放大器 G是否饱和。
[0010] 所述的 A/D转换电路 ADC1的输入与 G放大器的输出连接， 对放大器的输出电压 进行测量， 即 PPG信号测量， 以便算法计算。
[0011] 如权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路信号采集的方法， 它包括如 下子步骤：
[0012] S1 : 系统上电；
[0013] S2: 发光二极管 D1发射光照射皮肤；
[0014] S3： 光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号；
[0015] S4: 电流电压转换器! /V将光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号转换为电信号
[0016] S5: 电流电压转换器! /V输出的电信号经放大器放大后进行数模转换， 输出转 换后的值， 即数字化 PPG信号采样。
[0017] 它还包括一个饱和调节步骤， 比较器 C1和比较器 C2快速对放大器 G是否饱和做 出评估， 而不需要 ADC1转换就能得知放大器 G是否饱和， 如接近饱和状态， AD
C2采样电流电压转换器 I/V输出， 根据其特性则调整 D/A转换器 DA的输出， 使放 大器进入放大区。
[0018] 它还包括一个电流电压转换器! /V输出监测步骤， 对电流电压转换器 I/V的输出 电压进行测量， 计算出 D/A转换器 DA值以便计算后能够一步给出 DA修正值大小
， 加快修正吋间。
[0019] 所述的发射光为脉冲式光， 所述的光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号为脉冲 光信号。 发明的有益效果
有益效果
[0020] 本发明的有益效果是： 本发明提供一种超低功耗的 PPG信号采集电路及采集方 法， 本发明电路结构简单， 能够有效的检测 PPG信号， 功耗低， 适用范围广。 对附图的简要说明
附图说明
[0021] 图 1为电路原理框图；
[0022] 图 2为信号采集方法流程图。
本发明的实施方式
[0023] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案， 但本发明的保护范围不局限 于以下所述。
[0024] 如图 1所示， 超低功耗的 PPG信号采集电路， 它包括光发射模块和光接收信息 处理模块， 所述的光发射模块包括发光二极管 D1和电阻 Rl， 所述的发光二极管 D1与电阻 R1连接； 所述的光接收信息处理模块包括光敏二极管 D2、 D/A转换器 DAC、 电流电压转换器!/ V、 G放大器和 A/D转换器 ADC1 , 所述的 D/A转换器 DA C通过电阻 R2与电流电压转换器 I/V连接， 光敏二极管 D2与电流电压转换器! /V连 接， 电流电压转换器 I/V与 G放大器连接， G放大器与 A/D转换器 ADC1连接。
[0025] 它还包括节电幵关 SW1和节电幵关 SW2， 光发射模块与节电幵关 SW1串联在电 源回路中， 节电幵关 SW2串联在电流电压转换器 I/V和放大器 G的电源回路中， 节电幵关 SW1、 SW2在采样中实现幵和关闭电路， 达到节省能量的目的。
[0026] 所述的 D/A转换器 DAC是调整信号采集的电路中的放大器的饱和。
[0027] 它还包括一个用于前级采样的 A/D转换电路 ADC2， 所述的 A/D转换电路的输入 与电流电压转换器 I/V的输出连接， 对电流电压转换器 I/V的输出电压进行测量， 在计算后能够一步给出 DA修正值大小， 加快修正吋间。
[0028] 它还包括两个比较电路即比较器 C1和比较器 C2， 比较器 C1的反相输入端、 比 较器 C2的反相输入端与放大器 G的输出连接， 同相连接相关电压比较参考值。 比 较器 CI和比较器 C2能够快速对放大器 G是否饱和做出评估， 而不需要 ADC1转换 就能得知放大器 G是否饱和。
[0029] 所述的 A/D转换电路 ADC1的输入与 G放大器的输出连接， 对放大器的输出电压 进行测量， 即 PPG信号测量， 以便算法计算。
[0030] 如权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路信号采集的方法， 它包括如 下子步骤：
[0031] S1 : 系统上电；
[0032] S2: 发光二极管 D1发射光照射皮肤；
[0033] S3： 光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号；
[0034] S4: 电流电压转换器! /V将光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号转换为电信号
[0035] S5: 电流电压转换器! /V输出的电信号经放大器放大后进行数模转换， 输出转 换后的值， 即数字化 PPG信号采样。
[0036] 它还包括一个饱和调节步骤， 比较器 C1和比较器 C2快速对放大器 G是否饱和做 出评估， 而不需要 ADC1转换就能得知放大器 G是否饱和， 如接近饱和状态， AD
C2采样电流电压转换器 I/V输出， 根据其特性则调整 D/A转换器 DA的输出， 使放 大器进入放大区。
[0037] 它还包括一个电流电压转换器! /V输出监测步骤， 对电流电压转换器 I/V的输出 电压进行测量， 计算出 D/A转换器 DA值以便计算后能够一步给出 DA修正值大小
， 加快修正吋间。
[0038] 所述的发射光为脉冲式光， 所述的光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号为脉冲 光信号。
[0039] 本发明的 PPG信号采集电路中光敏二极管 D2的光电流代表这 PPG信号， 可以用 下式表示：
[0040] 光电流 =D/A输出值 *常数 A + A/D转换值 *常数 B
[0041] 其中常数 A和常数 B和 R2、 IV跨阻、 G放大器增益相关。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 超低功耗的 PPG信号采集电路， 其特征在于： 它包括光发射模块和光 接收信息处理模块， 所述的光发射模块包括发光二极管 D1和电阻 R1 ， 所述的发光二极管 D1与电阻 R1连接； 所述的光接收信息处理模块 包括光敏二极管 D2、 D/A转换器 DAC、 电流电压转换器 I/V、 G放大 器和 A/D转换器 ADC1， 所述的 D/A转换器 DAC通过电阻 R2与电流电 压转换器 I/V连接， 光敏二极管 D2与电流电压转换器! /V连接， 电流电 压转换器 I/V与 G放大器连接， G放大器与 A/D转换器 ADC1连接。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路， 其特征在于： 它还包括节电幵关 SW1和节电幵关 SW2， 光发射模块与节电幵关 SWl 串联在电源回路中， 节电幵关 SW2串联在电流电压转换器 I/V和放大 器 G的电源回路中， 节电幵关 SW1、 SW2在采样中实现幵和关闭电路 ， 达到节省能量的目的。
[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路， 其特征在于： 所述的 D/A转换器 DAC是调整信号采集的电路中的放大器的饱和。
[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路， 其特征在于： 它还包括一个用于前级采样的 A/D转换电路 ADC2， 所述的 A/D转换电 路的输入与电流电压转换器 I/V的输出连接， 对电流电压转换器! /V的 输出电压进行测量， 在计算后能够一步给出 DA修正值大小， 加快修 正吋间。
[权利要求 5] 根据权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路， 其特征在于： 它还包括两个比较电路即比较器 C1和比较器 C2， 比较器 C1的反相输 入端、 比较器 C2的反相输入端与放大器 G的输出连接， 同相连接相关 电压比较参考值。 比较器 C1和比较器 C2能够快速对放大器 G是否饱和 做出评估， 而不需要 ADC1转换就能得知放大器 G是否饱和。
[权利要求 6] 根据权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路， 其特征在于： 所述的 A/D转换电路 ADC1的输入与 G放大器的输出连接， 对放大器的 输出电压进行测量， 即 PPG信号测量， 以便算法计算。
[权利要求 7] 如权利要求 1所述的超低功耗的 PPG信号采集电路信号采集的方法， 其特征在于： 它包括如下子步骤：
S1 : 系统上电；
S2: 发光二极管 D1发射光照射皮肤；
S3： 光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号；
S4: 电流电压转换器! /V将光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号转换 为电信号；
S5: 电流电压转换器! /V输出的电信号经放大器放大后进行数模转换 ， 输出转换后的值， 即数字化 PPG信号采样。
[权利要求 8] 根据权利要求 7所述的 PPG信号的采集方法， 其特征在于： 它还包括 一个饱和调节步骤， 比较器 C1和比较器 C2快速对放大器 G是否饱和做 出评估， 而不需要 ADC1转换就能得知放大器 G是否饱和， 如接近饱 和状态， ADC2采样电流电压转换器 I/V输出， 根据其特性则调整 D/A 转换器 DA的输出， 使放大器进入放大区。
[权利要求 9] 根据权利要求 7所述的 PPG信号的采集方法， 其特征在于： 它还包括 一个电流电压转换器 I/V输出监测步骤， 对电流电压转换器! /V的输出 电压进行测量， 计算出 D/A转换器 DA值以便计算后能够一步给出 DA 修正值大小， 加快修正吋间。
[权利要求 10] 根据权利要求 7所述的采集 PPG信号的方法， 其特征在于： 所述的发 射光为脉冲式光， 所述的光敏二极管 D2接收皮肤反射的光信号为脉 冲光信号 2。
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