可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的低能耗電源設(shè)計

曹婧

摘 要： 可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備對電源的要求較高，當(dāng)前電源設(shè)計過程中，存在電源電路設(shè)計復(fù)雜、電壓輸出不穩(wěn)定、能耗高的弊端，不能滿足可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備對電源的要求。為此，設(shè)計了一種新的可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備低能耗電源，給出所設(shè)計低能耗電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。介紹了欠壓鎖存模塊的設(shè)計過程，通過欠壓鎖存模塊保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。為了保護(hù)電源芯片的安全性，設(shè)計了VCC過壓保護(hù)電路。通過低壓差線性穩(wěn)壓器給可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的電源提供電力和部分偏置電壓。為了符合可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備電源的低能耗要求，設(shè)計了能量回饋裝置。依據(jù)硬件需要實(shí)現(xiàn)的功能，對軟件程序進(jìn)行編寫，通過PID算法對可穿戴運(yùn)動心率檢測設(shè)備的電源進(jìn)行低能耗控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計電源能耗低。

關(guān)鍵詞： 可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備； 低能耗； 電源設(shè)計； PID算法

中圖分類號： TN86?34； TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0174?03

Design of low?energy consumption power supply for wearable exercise heart rate monitoring device

CAO Jing

（Nanjing University of Technology， Nanjing， 210009， China）

Abstract： The wearable exercise heart rate monitoring device has high demand for power supply. In the current power supply design process， the power circuit design is complex， the output voltage is not stable， and the energy consumption is high， which cannot meet power supply requirements of wearable exercise heart rate monitoring device. Therefore， a new low?energy power supply for the wearable exercise heart rate monitoring device was designed. In this paper， the internal structure of the low?energy power supply chip is given and the design process of the undervoltage latch module is introduced， which is used to guarantee data acquisition stability. In order to protect the safety of power supply chip， VCC overvoltage protection circuit was designed. Low dropout linear regulators are used to provide power and partial bias voltage for the wearable exercise heart rate monitoring device. In order to meet the low?energy power supply requirement of wearable exercise heart rate monitoring device， an energy consumption feedback unit was designed. Based on the function to be implemented by hardware， software program was compiled. The energy consumption of power supply of wearable exercise heart rate monitoring device can be kept low by means of the PID algorithm. The experimental results show that the energy consumption of the designed power supply is low.

Keywords： wearable exercise heart rate monitoring device； low?energy consumption； power supply design； PID algorithm

人體心率為生物醫(yī)學(xué)中的關(guān)鍵指標(biāo)，心率監(jiān)測為當(dāng)前世界各地研究的熱點(diǎn)問題。近年來，可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備因體積小、成本低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于人體生物領(lǐng)域中，其改變了傳統(tǒng)的“被動”監(jiān)測模式，能夠在低生理與心理負(fù)荷下對心率進(jìn)行監(jiān)測[1?2]。隨著可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的廣泛應(yīng)用，人們對其能耗要求越來越高，因此，設(shè)計可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的低能耗電源具有重要意義[3?4]。設(shè)計了一種新的可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備低能耗電源，給出所設(shè)計低能耗電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護(hù)模塊、低壓差線性穩(wěn)壓器和能量回饋裝置構(gòu)成。依據(jù)硬件需要實(shí)現(xiàn)的功能，對軟件程序進(jìn)行編寫，通過PID算法對可穿戴運(yùn)動心率檢測設(shè)備的電源進(jìn)行低能耗控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計電源能耗低。

1 低能耗電源設(shè)計

1.1 電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計endprint

本節(jié)選用的電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護(hù)模塊、低壓差線性穩(wěn)壓器和能量回饋裝置構(gòu)成。

1.2 欠壓鎖存電路設(shè)計

在VCC電壓低于既定電壓值的情況下，可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備在一定程度上會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定的現(xiàn)象[5]，所以設(shè)計的電源需具有欠壓鎖存功能；可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備將停止工作。不停重啟直至VCC電壓正常，設(shè)計的欠壓鎖存電路如圖2所示，其工作原理如下，在VCC電壓從低電壓升高至一定值的過程中，電路將輸出低電平脈沖，開啟欠壓鎖存電路模塊，使得VCC電壓逐漸降低[6]；當(dāng)VCC電壓降低至一定值時，電路將輸出高電平，使得可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備停止運(yùn)行。

由圖2知，當(dāng)VCC電壓升高至[VCC=VD1+VD2+][1+R2+R1R3·R4]時，令M1導(dǎo)通，這時M1的漏極電壓將降低，令觸發(fā)器Smit輸出高電平，當(dāng)前M2，M3管導(dǎo)通，使得電阻R2與二極管D2導(dǎo)通。此刻就算VCC開始呈下降趨勢，M1管仍舊導(dǎo)通，輸出低電平，直至VCC電壓低于[VCC=VD1+1+R1R3·R4]，M1管斷開，M1的漏極電平升高，輸出狀態(tài)將發(fā)生變化。

1.3 過壓保護(hù)電路設(shè)計

如果VCC電壓過高，超過23 V，電路將產(chǎn)生VCC過壓保護(hù)信號，電路輸出高電平，形成邏輯信號使開關(guān)管關(guān)閉，如果連續(xù)三個周期有該信號出現(xiàn)，則電源芯片將被強(qiáng)制關(guān)掉，可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備將停止運(yùn)行，保護(hù)了電源芯片的安全，VCC過壓保護(hù)電路如圖3所示。

1.4 低壓差線性穩(wěn)壓器設(shè)計

低壓差線性穩(wěn)壓器不僅提供電力給可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的電源[7]，而且還提供部分偏置電壓，其電路圖如圖4所示。

圖4中的Vref1和Vref2代表偏置電壓。低壓差線性穩(wěn)壓器的供電能力需超過2 mA，這主要是由于電路在滿載的情況下芯片所需的電流約為2 mA，如果供電能力低于2 mA，VDD電壓會大大降低，整個電源將無法工作。本節(jié)通過偏置電壓令低壓差線性穩(wěn)壓器的供電能力一直高于2 mA，實(shí)現(xiàn)低壓差線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓功能。

1.5 能量回饋裝置設(shè)計

為了達(dá)到可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備電源的低能耗要求，提高可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的整體性能，本節(jié)設(shè)計了能量回饋裝置，其電路圖如圖5所示。

在交流側(cè)，通過濾波電感[LS]使得電路電壓保持平衡，將[R0-C0]構(gòu)成濾波器對周圍高次諧波進(jìn)行濾除。在直流側(cè)，通過平波電抗器[LS]使直流電源以額定電流放電，將[L2-C2]構(gòu)成諧振濾波器對周圍的二次諧波進(jìn)行濾除。

能量回饋裝置的工作原理如下，當(dāng)[iS]和[uS]的相位相同時，電路處于整流狀態(tài)，當(dāng)前電源向整流逆變電路輸送能量；當(dāng)[iS]和[uS]的相位相反時，電路處于逆變狀態(tài)，當(dāng)前整流逆變電路向電源反送能量，以保持電源的低能耗[8?9]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件功能的實(shí)現(xiàn)是需要軟件作為基礎(chǔ)的[10]。在程序中，首先需對軟件進(jìn)行初始化處理，然后依據(jù)硬件需要實(shí)現(xiàn)的功能，對軟件程序進(jìn)行編寫。本節(jié)通過PID算法對可穿戴運(yùn)動心率檢測設(shè)備的電源進(jìn)行低能耗控制，軟件設(shè)計框圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計的可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的低能耗電源的性能，實(shí)驗(yàn)將變頻電源和CPLD電源作為對比，在Matlab實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試。

在其他條件相同的情況下，將本文電源、變頻電源和CPLD電源應(yīng)用于可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備中，對三種電源的能耗進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可以看出，本文設(shè)計電源的能耗明顯低于變頻電源和CPLD電源，說明本文電源可保證能耗的低水平，有很高的應(yīng)用價值。同時分析圖7可以看出，本文方法的能耗只有變頻電源的30%左右，只有CPLD電源的40%左右，所以本文電源比變頻電源和CPLD電源更能降低可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備的整體能耗，具有一定的優(yōu)越性。

電源的剩余能量能夠體現(xiàn)電源能耗的均衡性，本節(jié)在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對本文電源、變頻電源和CPLD電源的剩余能量進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 三種電源剩余能量比較結(jié)果

分析圖8可以看出，本文電源剩余能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻電源和CPLD電源，同時本文電源剩余能量的變化相對平穩(wěn)，沒有顯著的波動，而變頻電源和CPLD電源的剩余能量曲線波動較大，說明本文電源能耗均衡性較高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新的可穿戴運(yùn)動心率監(jiān)測設(shè)備低能耗電源，并給出所設(shè)計低能耗電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護(hù)模塊、低壓差線性穩(wěn)壓器和能量回饋裝置構(gòu)成。

詳細(xì)介紹了各模塊的設(shè)計過程。依據(jù)硬件需要實(shí)現(xiàn)的功能，對軟件程序進(jìn)行編寫，通過PID算法對可穿戴運(yùn)動心率檢測設(shè)備的電源進(jìn)行低能耗控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計電源能耗低。

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