hrs3300光学心率传感器设计指南

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1、HRS3300光学心率传感器设计指南HRS3300是南京天易合芯电子有限公司的一款光学心率传感器。传感器通过采集PPG信号（photoplethysmogram,光电血管容积图)的方法，从人体的皮肤读取脉率信号，并配合可配置的自适应算法实现心率的测量。HRS3300采用了集成发光二极管LED、传感器、数字接口电路的光学模组的封装方式，并做了优化的光学对准和隔离，设计中充分考虑到光学和结构因素，能够适应更多的环境，简化结构和转配要求，为用户提供了可靠易用的高性价比心率解决方案。为了保证HRS3300光学心率传感器正常工作，

2、并达到优化的性能指标，我们提供如下的设计指南，供客户参考。一、安装结构指南对于HRS3300光学心率传感器，我们推荐使用的安装结构如图1所示：图1：HRS3300推荐安装结构图其中，W:传感器LED发射孔与接收孔中心距离，对于HRS3300，D=2.4mm.Whrs：盖板上接收孔孔径.TYHXConfidentialWLED：盖板上发射孔孔径.T:盖板厚度.A:空气间隔(airgap).Δ：盖板上发射孔和接收孔之间的隔离距离,Δ=D-(Whrs+WLED)/2.设计时需要注意以下几点：1.对于HRS3300光学心率传感器

3、，用户可直接贴片在PCB或FPC上，然后与盖板相接触，这样可以减少不经过人体血管，对PPG信号无帮助的盖板下表面的反射光。建议空气间隔(airgap)距离A小于0.3mm，如果存在结构限制无法达到，可放宽到1mm以内，并配合算法调整保证数据质量。2.对于其上覆盖的光学盖板，较薄的盖板性能较好，材质可以为玻璃、有机玻璃、树脂等透明材质，或者保证525nm绿光可以通过的材质。建议的光学盖板厚度为0.8mm左右，厚度太小不容易保证机械强度相接触，厚度太大PPG信号会削弱，如果存在结构限制，厚度可放宽到1.5mm以内，并配合算法

4、调整保证数据质量，如果需要更厚的光学盖板，可与应用工程师联系提供解决方案。3.对于智能手环和智能手表来讲，一般光学盖板是在手腕上和皮肤接触，我们建议接触处可以相对凸出，这样扣上腕带后，光学盖板可以和皮肤紧密接触，避免环境光的影响以及盖板和皮肤相对位移对PPG信号的干扰。4.覆盖的光学盖板上，与HRS3300光学心率传感器相接近的一侧，建议加上隔离带，可以用丝印等办法，隔离带需要对525nm绿光有较好的吸收和隔离效果。隔离带的目的在于抑制直接从盖板下表面反射的光，并对入射皮肤以及皮肤反射回的光做空间滤波，提高PPG信号信噪

5、比。建议的隔离带宽度为0.8mm左右，与下方HRS3300的光腔隔离带相近（A较小的情况下），宽度太小对信噪比提高不大，宽度太大对正常信号有一定削弱。如果存在结构限制无法使用隔离带，也可配合算法调整优化数TYHXConfidential据质量。图2.隔离带及盖板开孔参考图5.一些推荐使用的尺寸：WhrsWLEDATΔ1.60mm1.60mm<0.3mm0.8mm0.8mm二、应用建议：1.PPG信号的原始数据区间PPG信号由于人体特征的不同（肤色、探测部位、血管分布等），会有一个较大的变化区间，总体来说是一个缓慢变化的基

6、线（DC部分）叠加上一个随脉搏变化的交流部分（AC），其中DC基线的大小以及AC/DC的幅度都因人而异，可以简单地认为基线是通过骨骼、肌肉以及外界环境进入的光信号，交流部分是血管的收缩扩张带来的光信号变化。HRS3300采用了高质量的光学前端和自适应的算法，可以在较广范围内适应绝大部TYHXConfidential分皮肤的PPG信号范围，在缺省的配置下，原始的PPG光强信号（通过I2C读出）在5000-14000中间都能够测到良好的PPG曲线并通过算法得到准确的心率读数。如果客户数据在这个范围之外，我们的技术团队可以配合

7、调整配置和算法达到优化的效果。2.指尖信号和手腕信号常用的PPG信号采集点有手腕和指尖，手腕的信号主要配合智能手表、智能手环采样，指尖信号主要配合部分智能手机、家庭医疗设备采样。一般说来，由于指尖的血管丰富，指尖信号的信号和信噪比要高于手腕信号，但信号容易饱和。HRS3300由于较高动态范围的设计，在指尖和手腕上都可以获得良好的PPG信号。3.PPG信号和运动的关系PPG由于测量反射光的变化，受运动的影响较大，主要由于皮肤与LED、传感器之间在运动时存在相对位移，并在PPG信号和频谱中会有运动的部分干扰进入。我们建议佩戴

8、的时候光学盖板与皮肤接触紧密，减少相对位移，帮助PPG信号的抗干扰。如果系统有G-sensor，可以通过G-sensor采集运动数据，通过动态算法对PPG信号做优化处理。4.原理图设计及PCB板图的注意事项HRS3300的典型应用原理图如下：图2.HRS3300典型电路原理图关于上面的原理图，有如下几点需要注意：1）