心率數據可以提供有關個人身體狀況的非常有價值信息，通過檢測心律失常等不規則現象，心率數據可用于從個人健身監測，到醫院級患者監測的生命體征等應用。當今的無線和可穿戴技術不僅可以通過非侵入性方式收集復雜數據，還可以進行實時分析和顯示，并可存儲以供日后使用。

這種技術為可穿戴設備開辟了新的健身和保健消費市場，促進了健身手帶和胸帶等運動監視器的應用。在醫療領域，非侵入式心率監測可用于識別心臟血流減少，評估心臟病發作和血栓形成等風險和問題。甚至在醫院的病房中，護士現在也可以使用簡單的手握心率監測器和便攜式分析儀對患者進行定期“觀察”動脈血氧飽和度、呼吸率和水合水平等指標。

市場對于非侵入式和/或可穿戴設備的需求正在快速增長，而需要收集數據的復雜性也在提高，在數據采集、信號調節和處理方面增大了技術挑戰。對于醫療應用尤其如此，數據測量必須可靠、準確且安全。

測量心率有兩種主要方法。第一種是利用光學技術檢測血液流過靠近皮膚血管時光吸收或反射度的變化。光學技術也可用于估計血液中的氧飽和度（脈搏血氧飽和度），而面臨主要的技術挑戰是低功耗、環境光抑制和環境噪聲消除等。

第二種方法是生物電位測量，使用電壓感測電極來檢測心肌組織產生并傳遞到皮膚的電活動，該數據用于生成心電圖（ECG），醫學專家廣泛使用心電圖來確定心臟健康狀況。生物阻抗測量也可以用來確定呼吸速率和相對強度，與該方法相關的關鍵技術挑戰包括低功率運行、運動補償和消除噪聲以及其他干擾。

光脈沖血氧儀

幸運的是，對于開發人員來說，現在市場已經可以提供許多用于心率監視器的專用光學數據采集系統。例如，Maxim Integrated的MAX86140經過專門優化，可用于通過手腕、手指、耳朵和其他位置連接的監視器來測量光學心率、氧飽和度和肌肉氧飽和度等參數。

光學心率監測通常需要單個光源，但脈搏血氧計則需要兩個。為了獲得極高的精度并增大可能的測量范圍，通常采用多個光源。MAX86140和MAX86141分別提供單個和雙光學通道。

在發射器端，可配置三個可編程高電流LED驅動器，以驅動多達6個LED。由于兩個器件通過主從模式工作，LED驅動器可以驅動多達12個LED。這些器件的一個關鍵特性是其強大的專有環境光消除（ALC）電路，特別適用于在明亮條件下確保精度。此外，該系統也可以應對光照水平的快速變化。

其他主要功能包括具有19位Σ-Δ型ADC的低噪聲信號調節模擬前端（AFE）、電壓基準和溫度傳感器。 ADC輸出數據速率可以從8到8192個采樣進行編程，這些器件只需極少的外部硬件。128字FIFO能夠為數字輸出數據提供片上存儲，并可連接到微控制器。

這兩款器件均采用1.8V電源供電，具有獨立的3.1V至5V LED驅動器電源，可提供多種節能設置。它們具有靈活的定時和關閉配置以及對各個功能塊的控制，可以在最低功率水平下實現優化測量。在低于128sps的較低采樣率下，可采用動態斷電模式。當傳感器不與皮膚接觸時，接近模式可以幫助降低能量消耗。

光學控制器能夠配置用于各種測量。可以按順序施加脈沖到一個、兩個或三個LED驅動器，根據脈搏血氧儀的要求進行多個波長的測量。當LED驅動器同時被脈沖時，可以在腕戴式設備上進行心率測量。可以調節LED驅動電平以補償增大的干擾環境信號等噪聲水平。

生物電位ECG測量

心電圖可測量心率，并可提供具體信號的詳細信息，為專業人員進行心臟檢查提供更多細節。它還允許在健身應用中進行更可靠的心率監測，特別是在使用胸帶的情況下。與具有同樣精度水平的光學傳感器相比，生物電位測量通常需要低很多的功率。然而，ECG信號的處理同樣會迅速消耗電池電量。此外，ECG讀數容易受到運動和其他干擾源影響。因此，在健身應用中，運動補償尤其重要，并且運動本身也可能是重要的噪聲源。

同樣，特定的專用器件可用于此類應用。Maxim Integrated的MAX30003為一款用于可穿戴應用的完整生物電位模擬前端（AFE）解決方案，參見圖3。該單通道器件具有臨床級ECG AFE和高分辨率ADC，可提供15.5位有效分辨率和5μV峰峰值噪聲。此外，它還具有ESD保護、EMI濾波、內部引線偏置、DC引線斷開檢測和軟上電排序。高輸入阻抗可確保在干啟動（dry start）期間輸入端的信號有最小衰減。

通過確保AFE具有盡可能高的共模抑制比（CMRR）可以實現運動補償，并消除運動偽影的干擾。 MAX30003具有高達115dB的CMRR特性，可選的引線偏置電阻有助于提高CMRR，并可提高輸入阻抗。各種低通和高通濾波器選項可用于限制帶寬，這對于衰減來自靜電和高頻信號的噪聲非常重要。對于健身應用，單電源高通轉角頻率（high-pass corner frequency）應設置為5Hz，而對于臨床應用，通常可降至0.5Hz或0.05Hz。對于體育運動，共模低通轉角頻率可設定為34Hz，這是在干啟動時限制衣物噪聲的最佳水平。

MAX30003在1.1V電源電壓下具有85μW的超低功耗，由此可延長電池使用壽命。引線導通檢測功能可在待機/深度睡眠模式（70nA）期間運行，32字FIFO可包含多達32個ECG數據轉換結果，從而節省主微控制器的處理資源，因為它可以長時間保持睡眠狀態，從而能夠降低功耗。同樣，MCU可以編程不處理潛在的無效數據，用于R-R峰值間隔的內置算法可進一步節省功耗，因此MCU僅消耗約1μA的功率，而如果所有這些功能都由主MCU實現則可多消耗50至100倍的功耗。

非常有用的是，Maxim提供了一個設計平臺，可用于開發基于該器件的可穿戴健康或健身產品。 MAXREFDES100健康傳感器平臺包括用于單個PCB的所有硬件構建模塊，并可提供基于ARM mbed的編程板作為硬件開發套件（HDK）。除MAX30003外，MAX30101還通過光學元件（包括LED和光電探測器）以及具有環境光抑制功能的低噪聲電子元件增加了脈搏血氧測定功能。另外還有MAX30205臨床級溫度傳感器，推薦的功率模塊是MAX14750，能夠為MCU、AFE和數字接口提供多路輸出。