CN112842312B - 心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法 - Google Patents

心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法，包括：频率数字转换器接收PPG时钟信号并转换为数字信号；除法器接收数字信号以及分频倍数，将数字信号除以分频倍数得到分频数字信号；数字滤波器滤除高频噪声后得到数字心率信号；心率微分器接收数字心率信号以及外部时钟信号，计算每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号；比较器比较心率变化率信号与临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号；窗口生成器接收数字心率信号，生成窗口信号；分频器接收分频器控制信号以及窗口信号，得到分频后的自适应窗口信号以及分频倍数后输出。本发明自适应地调整LED驱动器输出脉冲的占空比，使得LED的功耗显著降低。

Description

心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法
技术领域
本发明涉及可穿戴人体信号监测技术领域，具体地，涉及一种心率传感器及其低功耗的自适应心跳锁环***和方法。
背景技术
心率是最重要的健康信息之一，它反映了诸多心血管问题。24小时心率监测在人们的日常生活中有着广泛的需求。如何实现低功耗和可穿戴的心率传感器是可穿戴人体信号监测领域的关键问题。现有的心跳监测技术主要有以下几种方法，即心电图描记法(ECG)，心音描记法(PCG)，超声波检查法，光电容积描记法(PPG)。而光电容积描记法由于具有体积小、成本低、无电极等优点，已被广泛运用在智能手环等可穿戴设备上。
然而，在可穿戴设备中，电池容量是有限的，因此需要降低PPG芯片的功耗。在PPG芯片中，驱动LED发光消耗了绝大部分的功耗。为了延长传感器的使用周期就必须降低LED驱动器的功耗。对于降低LED驱动器的功耗，现有的技术主要有以下几种：
M.Atef,M.Wang,and G.Wang,“A fully integrated high-sensitivity widedynamic range ppg sensor with an integrated photodiode and an automaticdimming control led driver,”IEEE Sensors Journal,vol.18,no.2,pp.652–659,2018.中采用降低LED的占空比和脉冲重复频率的方式，这种方式能够将LED的有效占空比降低到1％，但LED仍然消耗了绝大部分的功耗。
P.V.Rajesh,J.M.Valero-Sarmiento et al.,“a 172μw compressive samplingphotoplethysmographic readout with embedded direct heart-rate and variabilityextraction from compressively sampled data,”IEEE International Solid-StateCircuits Conference(ISSCC),pp.386–387,2016.中采用压缩采样的方法，利用了PPG信号的稀疏性，将LED有效占空比降低到0.0125％，但是重构压缩采样信号需要消耗大量的功耗。
D.Jang and S.Cho,“A 43.4μw photoplethysmogram-based heart-rate sensorusing heart-beat-locked loop,”IEEE International Solid State CircuitsConference(ISSCC),pp.474–476,2018.中提出了心跳锁环技术，该技术能够生成窗口，预测并锁住每个PPG信号周期的峰值位置。LED只在窗口为高电平时打开，实现了0.0175％的占空比。虽然在现有的工作中，LED的打开时间显著降低，功耗也因此降低。但LED仍然消耗了PPG芯片中主要的功耗。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种心率传感器及其低功耗的自适应心跳锁环***和方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种自适应心跳锁环***，包括：心率计算器模块和自适应窗口生成器模块；其中：
所述心率计算器模块，包括：
频率数字转换器子模块，该子模块接收与心跳同步的PPG时钟信号，并将所述PPG时钟信号的频率转换为数字信号后输出；
除法器子模块，该子模块接收所述数字信号以及分频倍数，并将所述数字信号除以分频倍数得到分频数字信号后输出；
数字滤波器子模块，该子模块接收所述分频数字信号，并滤除高频噪声后得到数字心率信号后输出；
所述自适应窗口生成器模块，包括：
心率微分器子模块，该子模块接收所述数字心率信号以及外部时钟信号，并计算出每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号后输出；
比较器子模块，该子模块接收所述心率变化率信号以及临界失锁心率变化率信号，并比较心率变化率信号与临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号后输出；
窗口生成器子模块，该子模块接收所述数字心率信号，并生成与所述数字心率信号频率一致的窗口信号后输出；
分频器子模块，该子模块接收所述分频器控制信号以及所述窗口信号，并依据所述分频器控制信号决定对所述窗口信号的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号以及分频倍数后输出。
优选地，所述频率数字转换器子模块，包括：时钟基准单元、计数器单元、第一寄存器单元、第二寄存器单元和第一减法器单元；其中：
所述时钟基准单元的输出端与所述计数器单元的输入端连接，所述计数器单元计算所述时钟基准单元输出的基准时钟的触发沿个数并输出；
所述第一寄存器单元的输入端与所述计数器单元的输出端连接，所述第一寄存器单元的触发端口连接PPG时钟信号，并利用输入的PPG时钟信号对所述计数器单元输出的基准时钟的触发沿个数进行采样，得到的所述第一寄存器单元输出信号接入所述第一减法器单元的正端；
所述第二寄存器单元的输入端与第一寄存器单元的输出端连接，所述第二寄存器单元的触发端口连接PPG时钟信号，并利用输入的PPG时钟信号对所述第一寄存器单元的输出信号进行采样，得到的所述第二寄存器单元输出信号接入所述第一减法器单元的负端。
所述第一减法器单元接收所述第一寄存器单元和所述第二寄存器单元的输出信号，相减产生的输出信号，即为所述PPG时钟信号的频率信号转换后的数字信号。
优选地，所述心率微分器子模块，包括：第三寄存器单元、第四寄存器单元和第二减法器单元；其中：
所述第三寄存器单元的输入端与所述心率计算器模块的数字滤波器子模块连接，所述第三寄存器单元的触发端口连接外部时钟信号，并利用外部时钟信号对输入的数字心率信号进行采样，得到的所述第三寄存器单元输出信号接入所述第二减法器单元的正端；
所述第四寄存器单元的输入端与所述第三寄存器单元的输出端连接，所述第四寄存器单元的触发端口连接外部时钟信号，并利用外部时钟信号对输入的所述第三寄存器单元的输出信号进行采样，得到的所述第四寄存器单元输出信号接入所述第二减法器单元的负端；
所述第二减法器单元接收所述第三寄存器单元和所述第四寄存器单元的输出信号，相减产生的输出信号，即为每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种自适应心跳锁环方法，包括：
获取与心跳同步的PPG时钟信号，并将所述PPG时钟信号的频率转换为数字信号；
获取分频倍数，将所述数字信号除以分频倍数，得到分频数字信号；
将所述分频数字信号滤除高频噪声后，得到数字心率信号；
获取外部时钟信号，基于所述数字心率信号，计算每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号；
获取临界失锁心率变化率信号，计算所述心率变化率信号与所述临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号；
基于所述数字心率信号，生成与所述数字心率信号频率一致的窗口信号；
根据所述分频器控制信号，确定对所述窗口信号的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号以及所述分频倍数；其中，所述分频倍数用于得到所述分频数字信号，所自适应窗口信号用于控制LED灯的工作时间。
优选地，所述获取临界失锁心率变化率信号，计算所述心率变化率与所述临界失锁心率变化率的比值，得到分频器控制信号，包括：
所述临界失锁心率在心率增加时的变化率为HR'up-critical，在心率减小时的变化率为HR'down-critical，则：
Figure BDA0002926550250000041
Figure BDA0002926550250000042
其中，N为分频倍数，T为心跳周期，t1为PPG信号的峰值位置到上一个窗口信号上升沿的时间距离，t2为PPG信号的峰值位置到上一个窗口信号下降沿的时间距离；
计算所述心率变化率HR'与临界失锁心率变化率HR'critical的比值，则：
Figure BDA0002926550250000043
当所述LLF小于1/4时，输出分频倍数增加的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数增加；
当所述LLF大于等于1/4、小于1/2时，输出分频倍数不变的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数不变；
当所述LLF大于等于1/2、小于1时，输出分频倍数减小的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数减小；
当所述LLF大于等于1时，不输出分频器控制信号，此时增加LED的脉冲宽度，直至检测到PPG信号峰值。
优选地，所述临界失锁心率在心率增加或降低时的变化率采用变化率绝对值中的最小值。
根据本发明的第三个方面，提供了一种心率传感器，包括：模拟前端电路模块、PPG时钟转换器模块、LED驱动器模块、脉冲生成器模块以及上述任一项所述的自适应心跳锁环***；其中：
所述模拟前端电路模块与所述PPG时钟转换器模块连接，所述PPG时钟转换器模块与所述自适应心跳锁环***连接，所述自适应心跳锁环***和所述脉冲生成器模块分别与所述LED驱动器模块连接。
优选地，所述模拟前端电路模块接收光电二极管输出的电流，并将所述电流转变为电压信号；所述电压信号经过放大、滤波、采样保持处理后输出至所述PPG时钟转换器模块；
所述PPG时钟转换器模块将所述电压信号转化为PPG时钟信号并输出至所述自适应心跳锁环***；
所述自适应心跳锁环***输出的自适应窗口信号与所述脉冲生成器模块输出的脉冲信号相与生成驱动信号，并输出至所述LED驱动器模块，控制LED的开启和关闭。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
本发明提供的自适应心跳锁环***和方法，应用在基于PPG信号的心率传感器中，能够根据心率的变化快慢，自适应地调整LED驱动器输出脉冲的占空比，从而在保证不影响心率读出条件下，降低了LED的打开时间，使得LED的功耗显著降低。
本发明提供的心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法，在利用PPG信号采集芯片计算人体心率时，解决了现有心跳锁环技术消耗LED功耗较大的问题。
本发明提供的心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法，能够感知人体心率变化的快慢，自适应地调整LED发光的占空比。
本发明提供的心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法，在心率平稳时，每间隔N(N>1)个PPG信号周期，采样一次PPG信号峰值位置，既能够节省LED功耗，又能不影响心率计算的准确性。
本发明提供的心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法，引入心率变化率检测感知心率导数的变化，自适应地调整对心跳锁环输出窗口的分频倍数，降低LED驱动器输出脉冲的占空比，进而减小了PPG信号采集芯片中LED所消耗的功耗。
本发明提供的心率传感器及其自适应心跳锁环***和方法，在利用PPG信号采集芯片计算人体心率时，相比现有的心跳锁环技术降低了2.2～3.3倍。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例中心率传感器及其自适应心跳锁环***的结构原理框图；
图2是本发明一优选实施例中自适应心跳锁环***的心率计算器模块结构框图；
图3是本发明一优选实施例中自适应心跳锁环***的自适应窗口生成器模块结构框图；
图4是本发明一优选实施例中自适应心跳锁环***的心跳锁环输出窗口信号恰好处在失锁时的示意图；其中，(a)为心率不变时的自适应心跳锁环的输出窗口信号，(b)为心率增加时的自适应心跳锁环的输出窗口信号情况，(c)为心率降低时的自适应心跳锁环的输出窗口信号情况。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明一实施例提供了一种自适应心跳锁环***，可以包括：心率计算器模块和自适应窗口生成器模块；其中：
心率计算器模块，包括：
频率数字转换器子模块，该子模块接收与心跳同步的PPG时钟信号，并将PPG时钟信号的频率转换为数字信号后输出；
除法器子模块，该子模块接收数字信号以及分频器子模块输出的分频倍数，并将数字信号除以分频倍数得到分频数字信号后输出；
数字滤波器子模块，该子模块接收分频数字信号，并滤除高频噪声后得到数字心率信号后输出；
自适应窗口生成器模块，包括：
心率微分器子模块，该子模块接收数字心率信号以及外部时钟信号，并计算出每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号后输出；
比较器子模块，该子模块接收心率变化率信号以及临界失锁心率变化率信号，并比较心率变化率信号与临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号后输出；
窗口生成器子模块，该子模块接收数字心率信号，并生成与数字心率信号频率一致的窗口信号后输出；
分频器子模块，该子模块接收分频器控制信号以及窗口信号，并依据分频器控制信号决定对窗口信号的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号以及分频倍数后输出。
作为一优选实施例，频率数字转换器子模块，可以包括：时钟基准单元、计数器单元、第一寄存器单元、第二寄存器单元和第一减法器单元；其中：
时钟基准单元的输出端与计数器单元的输入端连接，计数器单元计算时钟基准单元输出的基准时钟的触发沿个数并输出；
第一寄存器单元的输入端与计数器单元的输出端连接，第一寄存器单元的触发端口连接PPG时钟信号，并利用输入的PPG时钟信号对计数器输出的基准时钟的触发沿个数进行采样，得到的第一寄存器单元输出信号接入第一减法器单元的正端；
第二寄存器单元的输入端与第一寄存器单元的输出端连接，第二寄存器单元的触发端口连接PPG时钟信号，并利用输入的PPG时钟信号对第一寄存器单元的输出信号进行采样，得到的第二寄存器单元输出信号(该输出信号就是在这一时刻PPG时钟信号采样时，上一PPG时钟信号采样时刻第一寄存器单元所寄存的数字信号)接入第一减法器单元的负端；
第一减法器单元接收第一寄存器单元和第二寄存器单元的输出信号，相减产生的输出信号，即为PPG时钟信号的频率信号转换后的数字信号，然后输出。
作为一优选实施例，心率微分器子模块，可以包括：第三寄存器单元、第四寄存器单元和第二减法器单元；其中：
第三寄存器单元的输入端与心率计算器模块的数字滤波器子模块连接，第三寄存器单元的触发端口连接外部时钟信号，并利用外部时钟信号对输入的数字心率信号进行采样，得到的第三寄存器单元输出信号(该输出信号指的是在外部时钟信号触发第三寄存器单元时，实时心率HR的数字值)接入第二减法器单元的正端；
第四寄存器单元的输入端与第三寄存器单元的输出端连接，第四寄存器单元的触发端口连接外部时钟信号，并利用外部时钟信号对输入的第三寄存器单元的输出信号进行采样，得到的第四寄存器单元输出信号(该输出信号就是在这一时刻外部时钟信号触发采样时，上一个外部时钟信号采样时刻第三寄存器单元所寄存的数字信号)接入第二减法器单元的负端；
第二减法器单元接收第三寄存器单元和第四寄存器单元的输出信号，相减产生的输出信号，即为每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号，然后输出。
本发明另一实施例提供了一种自适应心跳锁环方法，可以包括如下步骤：
S1，获取与心跳同步的PPG时钟信号，并将PPG时钟信号的频率转换为数字信号；
S2，获取分频倍数，将数字信号除以分频倍数，得到分频数字信号；
S3，将分频数字信号滤除高频噪声后，得到数字心率信号；
S4，获取外部时钟信号，基于数字心率信号，计算每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号；
S5，获取临界失锁心率变化率信号，计算心率变化率信号与临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号；
S6，基于数字心率信号，生成与数字心率信号频率一致的窗口信号；
S7，根据分频器控制信号，确定对窗口信号的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号以及分频倍数；其中，分频倍数用于得到分频数字信号，自适应窗口信号用于控制LED灯的工作时间。
作为一优选实施例，S5中，获取临界失锁心率变化率信号，计算心率变化率与临界失锁心率变化率的比值，得到分频器控制信号，包括：
临界失锁心率在心率增加时的变化率为HR'up-critical，在心率减小时的变化率为HR'down-critical，则：
Figure BDA0002926550250000081
Figure BDA0002926550250000082
其中，N为分频倍数，T为心跳周期，t1为PPG信号的峰值位置到上一个窗口信号上升沿的时间距离，t2为PPG信号的峰值位置到上一个窗口信号下降沿的时间距离；
计算心率变化率HR'与临界失锁心率变化率HR'critical的比值，则：
Figure BDA0002926550250000091
当LLF小于1/4时，输出分频倍数增加的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数增加；
当LLF大于等于1/4、小于1/2时，输出分频倍数不变的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数不变；
当LLF大于等于1/2、小于1时，输出分频倍数减小的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数减小；
当LLF大于等于1时，不输出分频器控制信号，此时增加LED的脉冲宽度，直至检测到PPG信号峰值。
作为一优选实施例，临界失锁心率在心率增加或降低时的变化率采用变化率绝对值中的最小值。
本发明第三个实施例提供了一种心率传感器，可以包括：模拟前端电路模块、PPG时钟转换器模块、LED驱动器模块、脉冲生成器模块以及上述任一项的自适应心跳锁环***；其中：
模拟前端电路模块与PPG时钟转换器模块连接，PPG时钟转换器模块与自适应心跳锁环***连接，自适应心跳锁环***和脉冲生成器模块分别与LED驱动器模块连接。
作为一优选实施例，模拟前端电路模块接收光电二极管输出的电流，并将电流转变为电压信号；电压信号经过放大、滤波、采样保持处理后输出至PPG时钟转换器模块；
PPG时钟转换器模块将电压信号转化为PPG时钟信号并输出至自适应心跳锁环***；
自适应心跳锁环***输出的自适应窗口信号与脉冲生成器模块输出的脉冲信号相与生成驱动信号，并输出至LED驱动器模块，控制LED的开启和关闭。
下面结合附图，对本发明上述实施例所提供的技术方案进一步详细描述如下。
图1为本发明上述实施例提供的心率传感器及其自适应心跳锁环***结构示意图。
如图1所示，本发明上述实施例提供的自适应心跳锁环***，可以包括如下模块：心率计算器和自适应窗口生成器。
进一步地，采用该自适应心跳锁环***实现的心率传感器，可以包括如下模块：模拟前端电路、PPG时钟转换器、LED驱动器、脉冲生成器以及本发明上述实施例中任一项的自适应心跳锁环***。
模拟前端电路一端连接光电二极管，一端连接PPG时钟转换器。模拟前端电路接收来自光电二极管的电流，并将电流转变为电压信号，电压信号再经过放大、滤波、采样保持后向外输出。
PPG时钟转换器一端连接模拟前端电路，一端连接心率计算器。PPG时钟转换器模块接收来自模拟前端电路的电压信号，将电压信号转化为PPG时钟信号PPGCLK，并向外输出。
心率计算器一端连接PPG时钟转换器，另一端连接自适应窗口生成器，同时将心率输出。如图2所示，心率计算器由3个子模块构成，包括：频率数字转换器、除法器、数字滤波器。
频率数字转换器接收从PPG时钟转换器而来的与心跳同步的PPG时钟信号PPGCLK，并将PPG时钟信号PPGCLK的频率转换为数字信号DF，并向外输出。
除法器接收从频率数字转换器输出的数字信号DF，以及分频倍数N，将频率数字转换器输出的数字信号DF除以分频倍数N得到除法器的分频数字信号DD，并向外输出。
数字滤波器接收除法器的分频数字信号DD，并滤除高频噪声后得到数字心率信号HR，并向外输出。
自适应窗口生成器一端连接数字滤波器，接收数字心率信号HR，另一端连接与门输入端，输出自适应窗口信号Wa。如图2所示，自适应窗口生成器主要由4个子模块构成，包括：心率微分器、比较器、分频器、窗口生成器。
心率微分器接收来自心率计算器的数字心率信号HR，以及外部时钟信号CLK，并计算出每个外部时钟信号CLK周期内的心率变化率信号HR'，并向外输出。
比较器接收来自心率微分器的心率变化率信号HR'，以及临界失锁心率变化率信号HR'critical，比较器比较心率的变化率信号HR'与临界失锁心率变化率信号HR'critical的比值，得到分频器控制信号Cfd，并向外输出。
窗口生成器接收来自心率计算器的数字心率信号HR，生成与数字心率信号HR频率一致的窗口信号W，并向外输出。
分频器接收来自比较器的分频器控制信号Cfd，以及窗口生成器的窗口信号W。依据分频器控制信号Cfd决定对窗口信号W的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号Wa以及分频倍数N，并向外输出。
LED驱动器接收自适应窗口信号Wa与脉冲生成器相与之后的信号LD，LED驱动器的输出控制LED的打开和关闭。
自适应心跳锁环***的原理为：
PPG信号的峰值位置的时间间隔即心率周期，因此只要对PPG信号的峰值位置采样，便可以测出心率。由于心率在一天中大部分时间内是平稳的，因此没有必要对每次心跳对应的PPG信号峰值进行采样。通过自适应心跳锁环技术，自动感知心率的变化情况，并自适应地调整LED发光的占空比。在心率平稳时，间隔较多的PPG信号波形使得LED打开一次，对一个PPG信号波形峰值进行采样，最大间隔4个PPG信号波形LED便打开一次。在心率波动时，间隔较少的PPG波形LED打开一次，对PPG信号峰值进行采样，最小对每个PPG信号波形LED均打开一次。
在自适应心跳锁环***中，心率计算器计算出PPG时钟信号PPGCLK的频率，该频率即实时心率HR。窗口生成器会生成频率与实时心率HR一致的窗口W。自适应窗口生成器中的心率微分器对实时心率微分，计算出心率变化率HR'。通过比较器比较心率变化率HR'与临界失锁心率变化率HR'critical的比值，决定分频器对窗口生成器输出窗口的分频倍数。分频器输出的自适应窗口信号Wa控制LED的开关，便可以自动感知心率的变化情况，并自适应地调整LED发光的占空比。
如图2所示，心率计算器中的频率数字转换器模块由时钟基准、计数器、第一寄存器1、第二寄存器2、第一减法器构成。时钟基准的输出连接计数器的输入端，计数器计算基准时钟的触发沿个数并输出。第一寄存器1输入端口连接计数器的输出，触发端口连接PPG时钟信号PPGCLK，对输入信号进行采样，采样得到的输出信号接入减法器的正端。第二寄存器2的输入端口连接第一寄存器1的输出，触发端口连接PPG时钟信号PPGCLK，对输入信号进行采样，采样得到的输出信号接入第一减法器的负端。第一减法器接收第一寄存器1和第二寄存器2的输出信号，相减产生输出信号向外输出。
如图3所示，自适应窗口生成器中的心率微分器模块由第三寄存器3、第四寄存器4、第二减法器构成。其中，第三寄存器3输入端口连接心率计算器，触发端口接外部时钟信号CLK，对输入信号进行采样，采样得到的输出信号接入减法器的正端。第四寄存器4的输入端口连接第三寄存器3的输出，触发端口连接外部时钟信号CLK，对输入信号进行采样，采样得到的输出信号接入第二减法器的负端。第二减法器接收第三寄存器3和第四寄存器4的输出信号，相减产生输出信号向外输出。
基于图4中(a)所示，心率不变时的自适应心跳锁环的输出窗口信号，图4中(b)和(c)所示，分别显示了在心率增加或降低时，下一时刻窗口恰好不能锁住PPG信号峰值的情况。心率增加时的临界失锁心率变化率为HR'up-critical，心率减小时的临界失锁心率变化率为HR'down-critical，分别如下所示：
Figure BDA0002926550250000121
Figure BDA0002926550250000122
其中N为分频倍数，T为心跳周期，t1为PPG信号的峰值位置到上一个窗口上升沿的时间距离，t2为PPG信号的峰值位置到上一个窗口下降沿的时间距离。临界失锁心率变化率HR'critical为心率增加或降低时的临界失锁心率变化率绝对值中的较小者。
定义失锁因子LLF为心率变化率HR'与临界失锁心率变化率HR'critical的比值。
Figure BDA0002926550250000123
通过比较器比较失锁因子LLF与1/4、1/2、1。失锁因子LLF小于1/4时，分频倍数增加，即LED打开一次所间隔的PPG波形个数增加。失锁因子LLF在1/4～1/2之间时，分频比不变，即LED打开一次所间隔的PPG波形个数不变。失锁因子LLF在1/2～1之间时，分频倍数减小，即LED打开一次所间隔的PPG波形个数减小。失锁因子大于1时，此时LED不能锁住PPG信号峰值位置。因此不分频，并且增加窗口生成器的脉冲宽度，即增加LED的脉冲宽度，脉冲宽度从最低的100毫秒增加至400毫秒，如果仍未检测到PPG峰值，则LED常亮直到检测到PPG信号峰值。
在该实施例中，PPG信号是指LED打开一次所跨过的人体PPG信号的周期数。如图4所示，当第二个窗口到来的时候，距离第一个窗口间隔了三个PPG信号周期。
本发明上述实施例中涉及的本领域公知技术或常用技术手段，在此不再赘述。
本发明上述实施例提供的自适应心跳锁环***和方法，应用在基于PPG信号的心率传感器中，能够根据心率的变化快慢，自适应地调整LED驱动器输出脉冲的占空比，从而在保证不影响心率读出条件下，降低了LED的打开时间，使得LED的功耗显著降低；在利用PPG信号采集芯片计算人体心率时，解决了现有心跳锁环技术消耗LED功耗较大的问题；能够感知人体心率变化的快慢，自适应地调整LED发光的占空比；在心率平稳时，每间隔N(N>1)个PPG信号周期，采样一次PPG信号峰值位置，既能够节省LED功耗，又能不影响心率计算的准确性；引入心率变化率检测感知心率导数的变化，自适应地调整对心跳锁环输出窗口的分频倍数，降低LED驱动器输出脉冲的占空比，进而减小了PPG信号采集芯片中LED所消耗的功耗；在利用PPG信号采集芯片计算人体心率时，相比现有的心跳锁环技术降低了2.2～3.3倍。
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用***中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照***的技术方案实现方法的步骤流程，即，***中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种自适应心跳锁环***，其特征在于，包括：心率计算器模块和自适应窗口生成器模块；其中：
所述心率计算器模块，包括：
频率数字转换器子模块，该频率数字转换器子模块接收与心跳同步的PPG时钟信号，并将所述PPG时钟信号的频率转换为数字信号后输出；
除法器子模块，该除法器子模块接收所述数字信号以及分频倍数，并将所述数字信号除以分频倍数得到分频数字信号后输出；
数字滤波器子模块，该数字滤波器子模块接收所述分频数字信号，并滤除高频噪声后得到数字心率信号后输出；
所述自适应窗口生成器模块，包括：
心率微分器子模块，该心率微分器子模块接收所述数字心率信号以及外部时钟信号，并计算出每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号后输出；
比较器子模块，该比较器子模块接收所述心率变化率信号以及临界失锁心率变化率信号，并比较心率变化率信号与临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号后输出；
窗口生成器子模块，该窗口生成器子模块接收所述数字心率信号，并生成与所述数字心率信号频率一致的窗口信号后输出；
分频器子模块，该分频器子模块接收所述分频器控制信号以及所述窗口信号，并依据所述分频器控制信号决定对所述窗口信号的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号以及分频倍数后输出。
2.根据权利要求1所述的自适应心跳锁环***，其特征在于，所述频率数字转换器子模块，包括：时钟基准单元、计数器单元、第一寄存器单元、第二寄存器单元和第一减法器单元；其中：
所述时钟基准单元的输出端与所述计数器单元的输入端连接，所述计数器单元计算所述时钟基准单元输出的基准时钟的触发沿个数并输出；
所述第一寄存器单元的输入端与所述计数器单元的输出端连接，所述第一寄存器单元的触发端口连接PPG时钟信号，并利用输入的PPG时钟信号对所述计数器单元输出的基准时钟的触发沿个数进行采样，得到的所述第一寄存器单元输出信号接入所述第一减法器单元的正端；
所述第二寄存器单元的输入端与第一寄存器单元的输出端连接，所述第二寄存器单元的触发端口连接PPG时钟信号，并利用输入的PPG时钟信号对所述第一寄存器单元的输出信号进行采样，得到的所述第二寄存器单元输出信号接入所述第一减法器单元的负端；
所述第一减法器单元接收所述第一寄存器单元和所述第二寄存器单元的输出信号，相减产生的输出信号，即为所述PPG时钟信号的频率信号转换后的数字信号。
3.根据权利要求1所述的自适应心跳锁环***，其特征在于，所述心率微分器子模块，包括：第三寄存器单元、第四寄存器单元和第二减法器单元；其中：
所述第三寄存器单元的输入端与所述心率计算器模块的数字滤波器子模块连接，所述第三寄存器单元的触发端口连接外部时钟信号，并利用外部时钟信号对输入的数字心率信号进行采样，得到的所述第三寄存器单元输出信号接入所述第二减法器单元的正端；
所述第四寄存器单元的输入端与所述第三寄存器单元的输出端连接，所述第四寄存器单元的触发端口连接外部时钟信号，并利用外部时钟信号对输入的所述第三寄存器单元的输出信号进行采样，得到的所述第四寄存器单元输出信号接入所述第二减法器单元的负端；
所述第二减法器单元接收所述第三寄存器单元和所述第四寄存器单元的输出信号，相减产生的输出信号，即为每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号。
4.一种自适应心跳锁环方法，其特征在于，包括：
获取与心跳同步的PPG时钟信号，并将所述PPG时钟信号的频率转换为数字信号；
获取分频倍数，将所述数字信号除以分频倍数，得到分频数字信号；
将所述分频数字信号滤除高频噪声后，得到数字心率信号；
获取外部时钟信号，基于所述数字心率信号，计算每个外部时钟信号周期内的心率变化率信号；
获取临界失锁心率变化率信号，计算所述心率变化率信号与所述临界失锁心率变化率信号的比值，得到分频器控制信号；
基于所述数字心率信号，生成与所述数字心率信号频率一致的窗口信号；
根据所述分频器控制信号，确定对所述窗口信号的分频倍数，得到分频后的自适应窗口信号以及所述分频倍数；其中，所述分频倍数用于得到所述分频数字信号，所述自适应窗口信号用于控制LED灯的工作时间。
5.根据权利要求4所述的自适应心跳锁环方法，其特征在于，所述获取临界失锁心率变化率信号，计算所述心率变化率与所述临界失锁心率变化率的比值，得到分频器控制信号，包括：
所述临界失锁心率在心率增加时的变化率为HR'up-critical，在心率减小时的变化率为HR'down-critical，则：
Figure FDA0003446146170000031
Figure FDA0003446146170000032
其中，N为分频倍数，T为心跳周期，t1为PPG信号的峰值位置到上一个窗口信号上升沿的时间距离，t2为PPG信号的峰值位置到上一个窗口信号下降沿的时间距离；
计算所述心率变化率HR'与临界失锁心率变化率HR'critical的比值，则：
Figure FDA0003446146170000033
当所述LLF小于1/4时，输出分频倍数增加的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数增加；
当所述LLF大于等于1/4、小于1/2时，输出分频倍数不变的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数不变；
当所述LLF大于等于1/2、小于1时，输出分频倍数减小的分频器控制信号，即LED打开一次所间隔的PPG信号波形个数减小；
当所述LLF大于等于1时，不输出分频器控制信号，此时增加LED的脉冲宽度，直至检测到PPG信号峰值。
6.根据权利要求5所述的自适应心跳锁环方法，其特征在于，所述临界失锁心率在心率增加或降低时的变化率采用变化率绝对值中的最小值。
7.一种心率传感器，其特征在于，包括：模拟前端电路模块、PPG时钟转换器模块、LED驱动器模块、脉冲生成器模块以及权利要求1至3中任一项所述的自适应心跳锁环***；其中：
所述模拟前端电路模块与所述PPG时钟转换器模块连接，所述PPG时钟转换器模块与所述自适应心跳锁环***连接，所述自适应心跳锁环***和所述脉冲生成器模块分别与所述LED驱动器模块连接。
8.根据权利要求7所述的心率传感器，其特征在于，所述模拟前端电路模块接收光电二极管输出的电流，并将所述电流转变为电压信号；所述电压信号经过放大、滤波、采样保持处理后输出至所述PPG时钟转换器模块；
所述PPG时钟转换器模块将所述电压信号转化为PPG时钟信号并输出至所述自适应心跳锁环***；
所述自适应心跳锁环***输出的自适应窗口信号与所述脉冲生成器模块输出的脉冲信号相与生成驱动信号，并输出至所述LED驱动器模块，控制LED的开启和关闭。
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