曹婧
摘 要： 可穿戴運動心率監測設備對電源的要求較高，當前電源設計過程中，存在電源電路設計複雜、電壓輸出不穩定、能耗高的弊端，不能滿足可穿戴運動心率監測設備對電源的要求。為此，設計了一種新的可穿戴運動心率監測設備低能耗電源，給出所設計低能耗電源晶片內部結構。介紹了欠壓鎖存模塊的設計過程，通過欠壓鎖存模塊保證數據採集的穩定性。為了保護電源晶片的安全性，設計了VCC過壓保護電路。通過低壓差線性穩壓器給可穿戴運動心率監測設備的電源提供電力和部分偏置電壓。為了符合可穿戴運動心率監測設備電源的低能耗要求，設計了能量回饋裝置。依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫，通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制。實驗結果表明，所設計電源能耗低。
關鍵詞： 可穿戴運動心率監測設備； 低能耗； 電源設計； PID算法
中圖分類號： TN86?34； TP39 文獻標識碼： 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
人體心率為生物醫學中的關鍵指標，心率監測為當前世界各地研究的熱點問題。近年來，可穿戴運動心率監測設備因體積小、成本低的特點被廣泛應用於人體生物領域中，其改變了傳統的「被動」監測模式，能夠在低生理與心理負荷下對心率進行監測[1?2]。隨著可穿戴運動心率監測設備的廣泛應用，人們對其能耗要求越來越高，因此，設計可穿戴運動心率監測設備的低能耗電源具有重要意義[3?4]。設計了一種新的可穿戴運動心率監測設備低能耗電源，給出所設計低能耗電源晶片內部結構，其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護模塊、低壓差線性穩壓器和能量回饋裝置構成。依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫，通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制。實驗結果表明，所設計電源能耗低。
1 低能耗電源設計
1.1 電源晶片內部結構設計
本節選用的電源晶片內部結構如圖1所示，其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護模塊、低壓差線性穩壓器和能量回饋裝置構成。
1.2 欠壓鎖存電路設計
在VCC電壓低於既定電壓值的情況下，可穿戴運動心率監測設備在一定程度上會出現數據採集不穩定的現象[5]，所以設計的電源需具有欠壓鎖存功能；可穿戴運動心率監測設備將停止工作。不停重啟直至VCC電壓正常，設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衝，開啟欠壓鎖存電路模塊，使得VCC電壓逐漸降低[6]；當VCC電壓降低至一定值時，電路將輸出高電平，使得可穿戴運動心率監測設備停止運行。
由圖2知，當VCC電壓升高至[VCC=VD1+VD2+][1+R2+R1R3·R4]時，令M1導通，這時M1的漏極電壓將降低，令觸發器Smit輸出高電平，當前M2，M3管導通，使得電阻R2與二極體D2導通。此刻就算VCC開始呈下降趨勢，M1管仍舊導通，輸出低電平，直至VCC電壓低於[VCC=VD1+1+R1R3·R4]，M1管斷開，M1的漏極電平升高，輸出狀態將發生變化。
1.3 過壓保護電路設計
如果VCC電壓過高，超過23 V，電路將產生VCC過壓保護信號，電路輸出高電平，形成邏輯信號使開關管關閉，如果連續三個周期有該信號出現，則電源晶片將被強制關掉，可穿戴運動心率監測設備將停止運行，保護了電源晶片的安全，VCC過壓保護電路如圖3所示。
1.4 低壓差線性穩壓器設計
低壓差線性穩壓器不僅提供電力給可穿戴運動心率監測設備的電源[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。低壓差線性穩壓器的供電能力需超過2 mA，這主要是由於電路在滿載的情況下晶片所需的電流約為2 mA，如果供電能力低於2 mA，VDD電壓會大大降低，整個電源將無法工作。本節通過偏置電壓令低壓差線性穩壓器的供電能力一直高於2 mA，實現低壓差線性穩壓器的穩壓功能。
1.5 能量回饋裝置設計
為了達到可穿戴運動心率監測設備電源的低能耗要求，提高可穿戴運動心率監測設備的整體性能，本節設計了能量回饋裝置，其電路圖如圖5所示。
在交流側，通過濾波電感[LS]使得電路電壓保持平衡，將[R0-C0]構成濾波器對周圍高次諧波進行濾除。在直流側，通過平波電抗器[LS]使直流電源以額定電流放電，將[L2-C2]構成諧振濾波器對周圍的二次諧波進行濾除。
能量回饋裝置的工作原理如下，當[iS]和[uS]的相位相同時，電路處於整流狀態，當前電源向整流逆變電路輸送能量；當[iS]和[uS]的相位相反時，電路處於逆變狀態，當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 系統軟體設計
硬體功能的實現是需要軟體作為基礎的[10]。在程序中，首先需對軟體進行初始化處理，然後依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫。本節通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制，軟體設計框圖如圖6所示。
3 實驗結果分析
為了驗證本文設計的可穿戴運動心率監測設備的低能耗電源的性能，實驗將變頻電源和CPLD電源作為對比，在Matlab實驗平台進行測試。
在其他條件相同的情況下，將本文電源、變頻電源和CPLD電源應用於可穿戴運動心率監測設備中，對三種電源的能耗進行比較，得到的結果如圖7所示。
分析圖7可以看出，本文設計電源的能耗明顯低於變頻電源和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動心率監測設備的整體能耗，具有一定的優越性。
電源的剩餘能量能夠體現電源能耗的均衡性，本節在上述實驗的基礎上對本文電源、變頻電源和CPLD電源的剩餘能量進行比較，得到的結果如圖8所示。
圖8 三種電源剩餘能量比較結果
分析圖8可以看出，本文電源剩餘能量遠遠高於變頻電源和CPLD電源，同時本文電源剩餘能量的變化相對平穩，沒有顯著的波動，而變頻電源和CPLD電源的剩餘能量曲線波動較大，說明本文電源能耗均衡性較高。
4 結 論
本文設計了一種新的可穿戴運動心率監測設備低能耗電源，並給出所設計低能耗電源晶片內部結構。其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護模塊、低壓差線性穩壓器和能量回饋裝置構成。
詳細介紹了各模塊的設計過程。依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫，通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制。實驗結果表明，所設計電源能耗低。
參考文獻
[1] 孫惠康，李慶之，焦良葆，等.基於藍牙4.0的可穿戴心率監測儀設計[J].物聯網技術，2016，6（3）：17?19.
[2] 李冰冰，俞帥東，楊象校，等.基於可穿戴的運動強度監測系統[J].計算機系統應用，2015，24（5）：32?39.
[3] 薛俊偉，黃岳山，杜欣，等.藍牙低功耗可穿戴血氧監測設備的設計[J].中國生物醫學工程學報，2015，34（6）：701?707.
[4] 王錕湃，柯文德.石化作業可穿戴式智能應急信息裝備系統研究[J].廣東石油化工學院學報，2015，25（6）：88?92.
[5] 於少文，孔繁濤，張建華，等.可穿戴設備技術在奶牛養殖中的應用及發展趨勢[J].中國農業科技導報，2016，18（5）：102?110.
[6] 王利，張思琪，曹繼剛.脈診疾病預警定位智能手環的發明設計[J].中國中醫藥現代遠程教育，2016，14（15）：51?53.
[7] 王繼廣，楊耿煌，孫文彬.基於變頻電源的風機節能控制系統設計[J].天津職業技術師範大學學報，2016，26（2）：30?35.
[8] 張承輝，劉雄飛，徐遵明.一種高性價比的節能型應急電源的設計[J].電源技術，2015，39（12）：2729?2731.
[9] 黃瑞寧，李毅，劉曉飛.節能型電火花加工脈衝電源的研究[J].中國機械工程，2016，27（18）：2520?2523.
[10] 張立材，武劍.節能型電火花脈衝電源改進研究[J].工業控制計算機，2016，29（8）：129?130.
摘 要： 可穿戴運動心率監測設備對電源的要求較高，當前電源設計過程中，存在電源電路設計複雜、電壓輸出不穩定、能耗高的弊端，不能滿足可穿戴運動心率監測設備對電源的要求。為此，設計了一種新的可穿戴運動心率監測設備低能耗電源，給出所設計低能耗電源晶片內部結構。介紹了欠壓鎖存模塊的設計過程，通過欠壓鎖存模塊保證數據採集的穩定性。為了保護電源晶片的安全性，設計了VCC過壓保護電路。通過低壓差線性穩壓器給可穿戴運動心率監測設備的電源提供電力和部分偏置電壓。為了符合可穿戴運動心率監測設備電源的低能耗要求，設計了能量回饋裝置。依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫，通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制。實驗結果表明，所設計電源能耗低。
關鍵詞： 可穿戴運動心率監測設備； 低能耗； 電源設計； PID算法
中圖分類號： TN86?34； TP39 文獻標識碼： 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
人體心率為生物醫學中的關鍵指標，心率監測為當前世界各地研究的熱點問題。近年來，可穿戴運動心率監測設備因體積小、成本低的特點被廣泛應用於人體生物領域中，其改變了傳統的「被動」監測模式，能夠在低生理與心理負荷下對心率進行監測[1?2]。隨著可穿戴運動心率監測設備的廣泛應用，人們對其能耗要求越來越高，因此，設計可穿戴運動心率監測設備的低能耗電源具有重要意義[3?4]。設計了一種新的可穿戴運動心率監測設備低能耗電源，給出所設計低能耗電源晶片內部結構，其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護模塊、低壓差線性穩壓器和能量回饋裝置構成。依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫，通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制。實驗結果表明，所設計電源能耗低。
1 低能耗電源設計
1.1 電源晶片內部結構設計
本節選用的電源晶片內部結構如圖1所示，其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護模塊、低壓差線性穩壓器和能量回饋裝置構成。
1.2 欠壓鎖存電路設計
在VCC電壓低於既定電壓值的情況下，可穿戴運動心率監測設備在一定程度上會出現數據採集不穩定的現象[5]，所以設計的電源需具有欠壓鎖存功能；可穿戴運動心率監測設備將停止工作。不停重啟直至VCC電壓正常，設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衝，開啟欠壓鎖存電路模塊，使得VCC電壓逐漸降低[6]；當VCC電壓降低至一定值時，電路將輸出高電平，使得可穿戴運動心率監測設備停止運行。
由圖2知，當VCC電壓升高至[VCC=VD1+VD2+][1+R2+R1R3·R4]時，令M1導通，這時M1的漏極電壓將降低，令觸發器Smit輸出高電平，當前M2，M3管導通，使得電阻R2與二極體D2導通。此刻就算VCC開始呈下降趨勢，M1管仍舊導通，輸出低電平，直至VCC電壓低於[VCC=VD1+1+R1R3·R4]，M1管斷開，M1的漏極電平升高，輸出狀態將發生變化。
1.3 過壓保護電路設計
如果VCC電壓過高，超過23 V，電路將產生VCC過壓保護信號，電路輸出高電平，形成邏輯信號使開關管關閉，如果連續三個周期有該信號出現，則電源晶片將被強制關掉，可穿戴運動心率監測設備將停止運行，保護了電源晶片的安全，VCC過壓保護電路如圖3所示。
1.4 低壓差線性穩壓器設計
低壓差線性穩壓器不僅提供電力給可穿戴運動心率監測設備的電源[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。低壓差線性穩壓器的供電能力需超過2 mA，這主要是由於電路在滿載的情況下晶片所需的電流約為2 mA，如果供電能力低於2 mA，VDD電壓會大大降低，整個電源將無法工作。本節通過偏置電壓令低壓差線性穩壓器的供電能力一直高於2 mA，實現低壓差線性穩壓器的穩壓功能。
1.5 能量回饋裝置設計
為了達到可穿戴運動心率監測設備電源的低能耗要求，提高可穿戴運動心率監測設備的整體性能，本節設計了能量回饋裝置，其電路圖如圖5所示。
在交流側，通過濾波電感[LS]使得電路電壓保持平衡，將[R0-C0]構成濾波器對周圍高次諧波進行濾除。在直流側，通過平波電抗器[LS]使直流電源以額定電流放電，將[L2-C2]構成諧振濾波器對周圍的二次諧波進行濾除。
能量回饋裝置的工作原理如下，當[iS]和[uS]的相位相同時，電路處於整流狀態，當前電源向整流逆變電路輸送能量；當[iS]和[uS]的相位相反時，電路處於逆變狀態，當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 系統軟體設計
硬體功能的實現是需要軟體作為基礎的[10]。在程序中，首先需對軟體進行初始化處理，然後依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫。本節通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制，軟體設計框圖如圖6所示。
3 實驗結果分析
為了驗證本文設計的可穿戴運動心率監測設備的低能耗電源的性能，實驗將變頻電源和CPLD電源作為對比，在Matlab實驗平台進行測試。
在其他條件相同的情況下，將本文電源、變頻電源和CPLD電源應用於可穿戴運動心率監測設備中，對三種電源的能耗進行比較，得到的結果如圖7所示。
分析圖7可以看出，本文設計電源的能耗明顯低於變頻電源和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動心率監測設備的整體能耗，具有一定的優越性。
電源的剩餘能量能夠體現電源能耗的均衡性，本節在上述實驗的基礎上對本文電源、變頻電源和CPLD電源的剩餘能量進行比較，得到的結果如圖8所示。
圖8 三種電源剩餘能量比較結果
分析圖8可以看出，本文電源剩餘能量遠遠高於變頻電源和CPLD電源，同時本文電源剩餘能量的變化相對平穩，沒有顯著的波動，而變頻電源和CPLD電源的剩餘能量曲線波動較大，說明本文電源能耗均衡性較高。
4 結 論
本文設計了一種新的可穿戴運動心率監測設備低能耗電源，並給出所設計低能耗電源晶片內部結構。其主要由欠壓鎖存模塊、過壓保護模塊、低壓差線性穩壓器和能量回饋裝置構成。
詳細介紹了各模塊的設計過程。依據硬體需要實現的功能，對軟體程序進行編寫，通過PID算法對可穿戴運動心率檢測設備的電源進行低能耗控制。實驗結果表明，所設計電源能耗低。
參考文獻
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[7] 王繼廣，楊耿煌，孫文彬.基於變頻電源的風機節能控制系統設計[J].天津職業技術師範大學學報，2016，26（2）：30?35.
[8] 張承輝，劉雄飛，徐遵明.一種高性價比的節能型應急電源的設計[J].電源技術，2015，39（12）：2729?2731.
[9] 黃瑞寧，李毅，劉曉飛.節能型電火花加工脈衝電源的研究[J].中國機械工程，2016，27（18）：2520?2523.
[10] 張立材，武劍.節能型電火花脈衝電源改進研究[J].工業控制計算機，2016，29（8）：129?130.
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