第一章 心率监测概述

各位同学好，我是你们的讲师。在智能穿戴这个圈子里摸爬滚打了十几年，今天咱们来聊聊心率监测这个话题。说实话，这个功能现在几乎成了智能手表的标配，但真正把它做好的团队，其实不多。

智能穿戴设备市场现状

先看一组数据。2023年全球智能穿戴设备出货量超过5亿台，其中带心率监测功能的占了八成以上。你想想看，这个市场有多大？

我个人习惯把智能穿戴分为三类：

• 手环类：成本敏感，功耗优先，心率精度要求相对宽松
• 手表类：功能全面，对心率准确度要求高，尤其是运动场景
• 医疗级穿戴：这个门槛最高，需要通过医疗器械认证

我在项目中遇到过不少客户，上来就说「我要做一款能测心率的手表」。但一问到具体场景——是静息监测还是运动监测？是成人还是老人？他们就答不上来了。嗯，这里要注意，不同的场景对硬件算法的要求天差地别。

心率监测技术路线：PPG vs ECG

目前主流的技术路线就两条：PPG和ECG。说白了，一个用光测，一个用电测。

对比项	PPG（光电容积描记法）	ECG（心电图）
原理	光照射皮肤，检测血流变化	检测心脏电信号
硬件成本	低（LED+光电二极管）	高（电极+模拟前端）
功耗	中等	较低
准确度	受运动干扰大	高，医疗金标准
穿戴舒适度	好，光学传感器即可	需要电极接触皮肤

为什么智能手表大多用PPG？说白了就是成本和舒适度的平衡。ECG虽然准，但你让用户天天贴电极片，谁受得了？

PPG原理：光电容积描记法

PPG的原理其实不复杂。心脏每跳动一次，血液就会泵到全身。血液流过血管时，血管的容积会变化。我们用LED发光照进皮肤，光电二极管接收反射回来的光。血流多的时候，吸收的光多，反射回来的就少；血流少的时候反之。

这个光信号的变化曲线，就是PPG波形。波峰对应心脏收缩，波谷对应舒张。算一下波峰之间的时间间隔，心率就出来了。

我曾经踩过一个坑。有次做低功耗设计，把LED的驱动电流降得太低，结果信号完全被噪声淹没了。后来才明白，PPG的信噪比和LED亮度直接相关，省电不能省在光源上。

LED与光电二极管布局

布局这事，看着简单，其实门道很多。我见过不少方案，光路设计没做好，测出来的数据根本没法用。

常见的布局方式有三种：

1. 反射式：LED和光电二极管在同一侧，光反射回来被接收。手环手表基本都是这种。
2. 透射式：LED在皮肤一侧，光电二极管在另一侧。指尖血氧仪就是这种，精度高但穿戴不方便。
3. 阵列式：多个LED和多个光电二极管组合。这是目前高端手表的主流方案。

另外，绿光LED在心率监测中应用最广。为什么？因为绿光被血红蛋白吸收得比较好，信号对比度高。红光和红外则更多用于血氧测量。

硬件系统架构概览

好了，前面铺垫了这么多，咱们来看看整个硬件系统长什么样。我画了一张架构图，方便大家理解。

从架构图上你能看到，整个系统分为几个关键模块：

• 传感器模块：包括LED及其驱动电路、光电二极管。这部分是信号源头，质量决定了后续处理的天花板。
• 模拟前端（AFE）：把光电二极管产生的微弱电流信号放大、滤波，然后转换成数字信号。这里最考验模拟设计功底。
• 数字处理：跑心率算法的地方。包括数字滤波去除噪声、峰值检测计算心率、运动补偿消除干扰。
• 运动传感器：加速度计和陀螺仪。用来检测用户是否在运动，辅助算法做运动伪迹消除。

好了，第一章的内容就到这里。心率监测这个领域，入门容易精通难。后面我们会一步步深入每个模块的硬件实现细节，包括LED驱动怎么设计、AFE怎么选型、数字算法怎么在芯片上跑起来。

---