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PuLsE：腕戴式超声波的连续心率监测（方案设计）
这篇文章来自我想去的苏黎世，hhhh：
是一个比较有趣的小文章，设计的很精巧
传统心率监测方法（如光电容积描记PPG）虽然广泛应用于智能手表，但存在一些问题，比如浅层组织信号易受干扰（光照变化、肤色、纹身、运动伪影）、功耗较高等。
超声波（Ultrasound, US）具备：
- 非侵入性
- 深层组织穿透力好（可以监测更大的动脉血流）
- 相对对外部光照等干扰不敏感
因此，作者提出利用低功耗超声波开发一种腕戴式心率监测IoT设备。
重点呢，还在器件的选型上面，这次目光来到了我们喜欢的 ST。
超声波测量的位置在：
腕部3个位置：靠近桡动脉（lateral）、中央（central）、靠近尺动脉（medial）。
可穿戴的这套比我之前写的靠谱：主控采用商用低功耗ARM Cortex-M4 MCU（STM32L496），自带ADC采集超声回波。
模块 | 主要功能 |
|---|---|
超声脉冲发射模块（Pulser） | 产生高频短脉冲，激励超声换能器（发射超声波） |
超声信号接收与包络提取模块（Analog Frontend + Envelope Circuit） | 接收回波信号，并进行模拟包络检测，降低带宽要求 |
MCU采集与处理模块（Microcontroller Unit） | 低功耗采集回波信号、执行心率提取DSP算法 |
是一个混合信号的处理器
这个 ADC 的速度也是比较快的
搭配低功耗US脉冲器（STHVUP32）和自制模拟包络提取电路，极大降低了采集频率要求。
没想到吧？但是手册不全，还是希望有渠道的朋友分享一下
复杂的芯片框图，这个经销商应该是没有资料的，需要联系官网
项目 | 内容 |
|---|---|
通道数 | 32路独立高压脉冲输出 |
输出电压 | ±100 V（最大） |
输出电流 | 每通道±200/400/600/800 mA（可配置） |
输出模式 | 3级或5级波形（RTZ，Return-To-Zero） |
支持工作模式 | 脉冲波（PW） / 连续波（CW）模式 |
波束成形 | 支持每通道独立延迟配置，5ns步进，最大延迟20μs（200MHz时钟） |
内存资源 | 每通道可存4种不同波形，支持波形压缩 |
集成功能 | 发射接收开关（T/R Switch），钳位到地（Clamping）电路，热保护，过压保护，自偏置电源 |
控制接口 | 标准 QSPI (Quad SPI) |
封装 | 11.5 × 10.5 × 1.35 mm, 168-ball FCBGA封装 |
每个通道内集成了23Ω内阻的T/R开关，支持：发射阶段隔离接收器，防止烧坏接收电路，接收阶段快速切换，允许回波信号无损流向接收器。除了接收啥的有。
使用这个芯片：生成10MHz中心频率的方波脉冲（每次5个周期）
脉冲重复频率（PRF）：设定为 25Hz
供电要求：
- 低压供电：±3.3V，1.8V，3.3V
- 高频桥供电：±15V（驱动超声换能器）
芯片可以通过QSPI接口完成
- Trigger (TRG) 信号触发脉冲发射
- TXON信号指示脉冲发射过程开始
时钟：需要10-100MHz工作时钟，由MCU内部PLL输出到外部MCO引脚提供。
超声波数据这么大？一个 MCU 如何处理啊？
放在模拟域直接进行包络提取（降低带宽），使超声高频信号可以用普通低采样率ADC采集（节能）。
就很骚，直接处理一个轮廓出来
首先是高频放大+高通滤波，输入来自换能器的超声回波信号
先通过高通滤波器（R_hp + C_hp）滤除DC成分
然后用两个高带宽运放（ADA4807）进行两级放大：
又是 ADI
但是系统里面的功耗应该是这个放大器占大头，因为带宽太高（GBW = 180MHz），功耗明显过大。
当然了论文中也指出：Envelope部分占系统功耗53%！
在这里
这个是多少，没法算，论文里面也没有给。将微弱回波信号放大到适合后级整流的幅度（比如±几十毫伏放大到±几伏）。两级串联，累计增益可以是几十倍到上百倍。
第三颗运放U3作为缓冲器（电压跟随器），隔离负载。同时提供低输出阻抗，防止后面的整流/充放电动作影响前级放大器的反馈环路。
然后是一个简单的二极管+电容包络检测器：
D1：整流二极管，截取正半周期信号
C1：电容充放电形成信号包络
R3/R4：控制充放电时间常数（包络追踪速度）
幸亏我机智，一眼就看出来是个检波器，夸我！
最后低通滤波+最终放大：低通滤波（R_lp + C_lp），进一步去除高频噪声。U4 也是一个非反相放大器，适度放大包络信号，使其更适合ADC量化范围（比如0~3.3V）。
模拟域包络降低了至少5×带宽，直接使系统能用低速低功耗ADC读取超声信号。这个我也没法算。。。
算法简单
- 启动后初始化 → 进入低功耗Stop2模式。
- 每40ms（25Hz PRF）被LPTimer中断唤醒 → 触发脉冲 → ADC启动采样
- DMA方式采集回波样本
- 采集满一定Stride数量后，执行DSP算法提取心率
- 完成后回到Stop2模式待命，极大降低平均功耗
在MCU上实现固定点DSP算法（CMSIS-DSP库优化），整体算法：
- A-mode超声回波采集
- 矩阵化 → 微分 → 2D FFT
- 频率积分 → 峰值检测 → 得到心率
过程
总结一下，系统就是两个大芯片，然后就是用了一个检波器，把数据压到 MCU 可以采集的范围里面，感觉是没有把超声波的芯片功能完全发挥出来。
平均总功耗：5.8mW（包括超声发射接收、前端模拟电路、DSP处理）
算法内存占用仅68kB RAM，处理时延71ms，支持7天连续运行（基于309mAh电池估算）
代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制.16219v1.html.16219本文标签： PuLsE腕戴式超声波的连续心率监测（方案设计）
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