GH3220/GH3020 设计-Read Me First

很多客户都选择了 GH3220/GH3020（后续以 GH3x2x 替代）进行心率血氧方案的设计，但是部分客户原本在穿戴类产品上并没什么经验，造成一些无用功以及开发工作的反复。本文主要目的是介绍如何完成一个正常的 GH3x2x 产品的开发以及一些细节注意事项进行说明。

一．需求确定

首先，要确定自己产品的功能需要，汇顶 GH3x2x 的 Cardiff-A算法现在支持心率（25Hz）、血氧（25Hz）、 HRV（25Hz/100Hz）、活体检测（25Hz）、ECG（250Hz/500Hz）五种功能要求，全功能的算法 lib 大概占用主控 20KB 的 SRAM 以及 200KB的 FLASH 空间，所以用户在选用主控平台的时候要注意资源占用情况。对于有些客户希望的睡眠、压力、血压等算法，汇顶的算法库均不支持，所以有心率、血氧、 HRV 、活体检测、心电（ECG）功能之外的功能需求，需要客户找第三方或者自己开发移植，汇顶和代理都无法提供技术支持。

其次，明确心率血氧的需求。如果需要测量动态心率（运动状态下的心率）必须使用绿灯且需要配合 G-sensor；如果需要测量血氧则还要加上红灯，佩戴检测需要使用红外。红灯与红外方案即可测量血氧，在测量血氧的同时也可以出心率，但需要注意的是，血氧模式下出的心率属于静态心率。因为现在依靠红光和红外进行的 PPG 测血氧的方式必须在静态情况（否则影响 R 值），这也是多数穿戴手表在测血氧的时候， UI 界面都会要求用户保持静止的原因。

应用需求	器件组合要求	备注
纯心率（不含佩戴检测）	Green	动态心率必须加三轴
佩戴检测+心率	Green、 IR x1	动态心率必须加三轴
血氧	Red x 1 、 IR x 1
血氧+心率	Green、 Red x 1、 IR x 1	动态心率必须加三轴
血氧+心率	（Green/Red/IR）合封灯	动态心率必须加三轴

此外，在血氧测量中还需要强调的是现在汇顶参考结构和血氧的 R 值曲线都是针对的手腕部位的（也就是手表手环应用），有很多客户定位的产品可能是在额头、脚踝等位置，那这个血氧的准确度无法保证。
由于结构设计的差异，如果出现血氧测试大多数都不准确时，还需要重新校准血氧的R值曲线，需要采集较多数据。
这里需要普及一个基本的知识点，血氧的检测依靠的是红外和红灯测量得到的各自 AC/DC 量的一个比值，这个比值叫 Pi 值（Perfusion Index），两个 Pi 值之比就是 R 值。 R 值和血氧的浓度会有一个映射关系，我们检测计算 R 值即可查询的对应的血氧值，也就常说的血氧 R 值曲线。但是 R 值曲线跟两个因素是强相关的，一个是外壳结构的光路径，另外一个是测量的人体部位，相同设备在人体的不同部位其 R 值曲线也是不同的。这也说明了为什么拿着一个测量手腕位置的设备去测人的额头，或者手指的血氧，可能是不准的原因。

另外，这里需要解释一个“活体检测”的概念。从原理上讲，心率血氧只是利用不同颜色（波长）的光，打入皮肤之后，利用 PD 接收反射出来光进行信号分析，得到我们想要的心率血氧值。其中的交变信号的频率就是测量的心率值。但事实上，很多非活体，比如桌面、书本等也能反射出这种携带“交变”的光信号，而且其频率也恰好在我们人体心率的频带范围内。这时候，就很考验算法能力，甄别出这种交变信号是否是人体心率信号了。现在只要是光学 PPG 原理都会存在这个难点， 汇顶的Cardiff-A算法无法做到 100%成功识别非活体，这也就可能会造成手表手环脱落后放置在桌面上，绿灯仍然在发光工作的现象。如果用户有更严格的要求，那请在手表内增加额外的类似“触摸按键”等传感器，来进一步强化确认这个佩戴和脱落识别功能。

最后， GH3x2x 只是一个 AFE传感器，客户可以使用自己开发的算法，也可以使用汇顶提供的算法。

选型确认

可以根据选择的功能组合，选择合适的芯片型号。GH3020和GH3026均是GH3220的裁剪版。

类型	产品型号	PPG TX		PPG RX		ECG	通信接口	封装	芯片尺寸(mm)
类型	产品型号	LED 接口数量	最大LED驱动电流	AFE通道数量	PD接口数量	ECG通道数量	通信接口	封装	芯片尺寸(mm)
PPG AFE	GH3020	8	200 mA * 2	4	8 Single/ 4 Diff	/	I2C/SPI	WLCSP-42	2.6 * 2.9 * 0.46
PPG AFE	GH3026	8	200 mA * 2	2	8 Single/ 4 Diff	/	I2C/SPI	WLCSP-42	2.6 * 2.9 * 0.46
多模 AFE	GH3220	8	200 mA * 2	4	8 Single/ 4 Diff	1	I2C/SPI	WLCSP-42	2.6 * 2.9 * 0.46

二、原理图确定

附录

心率检测原理

智能可穿戴设备通常使用光电容积脉搏波描记法（Photoplethysmography， PPG）检测心率。

如图 1-1 所示，光线从发光二极管（LED）发出并入射到皮肤；经皮肤组织的反射、散射和吸收后，一部分光可以从皮肤表面出射，被光电二极管（PD）接收。

若 LED 发光源与 PD 位于人体皮肤同一侧， PD 接收人体组织反射回来的信号，称为反射式测量，常用于智能手表、手环等产品。若 LED 发光源与 PD 分别位于人体皮肤的两侧，则 PD 接收经过人体组织透射的信号，称为透射式测量，常用于指夹式血氧仪等产品。

图 1-1
在 PPG 检测过程中，皮下组织的血液容积随心脏律动呈搏动性变化（如图 1-2 所示）， PD 接收的光强信号也呈脉搏性变化，转换为电信号后即为下图中的 AC 信号；表皮、肌肉、静脉在静态时对光的反射、散射和吸收是稳定的，因此 PD 接收的光强也是稳定的，转换为电信号后即为下图中的 DC 信号。以上 AC、 DC 信号结合 G-sensor 数据进行算法处理，即可实现心率检测、心率变异性检测等功能。