一、方案概述
本方案基于領慧立芯LH001-91芯片，實現對人體心率信號的實時采集和處理。方案采用兩電極設計，在胸部或腕部佩戴，通過皮膚接觸采集心電信號，再經過前端模擬信號調理、數字信號處理模塊實現心率計算，并通過低功耗無線通信模塊（如BLE）實現數據傳輸。整個方案不僅要滿足運動過程中的實時性和穩定性要求，還要注重功耗控制、信號抗干擾設計以及系統集成后的舒適佩戴體驗。本文從總體框架、電路系統設計、元器件的選型和作用、原理圖及PCB布局設計、軟件算法和測試調試等方面進行詳盡描述。

二、芯片功能簡介及關鍵技術指標
LH001-91是領慧立芯推出的一款專用運動心率檢測芯片，其主要功能模塊包括低噪聲前置放大器、濾波器、模數轉換器（ADC）、以及內置的數字信號處理算法核心。其核心技術指標主要有：

1. 高靈敏度低功耗心電信號采集；

2. 內置前端低噪聲放大電路，適合微弱生物電信號采集；

3. 模數轉換精度高，適合連續實時采樣；

4. 內置數字濾波及心率提取算法，在運動等動態環境下能準確判斷心率；

5. 支持多種通信接口，便于與MCU、BLE模塊協同工作。

因此，芯片在整個心率帶方案中起到數據采集、放大、濾波以及部分信號處理的作用，是整個方案的核心器件。

三、系統總體架構
本方案總體架構主要分為以下幾個部分：

1. 信號采集模塊
   采用兩電極傳感器結構，通過差分放大器采集人體表面微弱心電信號。前端電路設計需兼顧低噪聲、高共模抑制、及合適的電極匹配。

2. 前端模擬信號調理模塊
   信號進入前置放大后，還需經過精心設計的模擬濾波器，進行低通、高通和帶阻濾波，抑制工頻干擾、運動偽跡等噪聲。

3. 核心處理模塊
   LH001-91芯片內嵌的模擬前端和數字處理模塊協同工作，將采集到的信號經過內置ADC數字化，并利用內部算法對數據進行濾波、降噪、心率提取。

4. 數據傳輸與顯示模塊
   利用低功耗MCU及BLE模塊，將實時采集到的心率數據通過藍牙發送到手機或其他終端，并配合局部的顯示單元（如OLED或LED）用于即時反饋。

5. 電源管理模塊
   為保證設備長時間穩定工作，設計低功耗電源管理電路，包括鋰電池供電、穩壓模塊、充電管理以及功耗優化設計。

下文將從各個子模塊進行詳細闡述，給出元器件優選型號、器件作用及選型原因，并提供電路框圖。

四、前端信號采集與調理設計

1. 兩電極信號采集方案的意義
   心電信號幅值通常在毫伏級別，且包含大量工頻干擾。采用兩電極設計，可以最大限度降低共模噪聲影響，并利用差分放大器實現有效信號提取。LH001-91芯片內置專用前置放大器，其性能與外部電路設計密切相關，因此需要合理選用高精度、低噪聲元器件。

2. 模擬前端設計及優選元器件
   為確保信號的高保真度，前端模擬電路通常采用以下模塊：

• 差分放大器（Instrumentation Amplifier）
  優選型號：INA333、AD8420等。
  器件作用：用于將微弱的心電信號轉換為適合后續處理的電平，同時具有優異的共模抑制性能。
  選擇原因：INA333具有低偏置電流、低噪聲、低失調電壓等優點，適用于高精度信號采集。

• 濾波器設計
  包括低通、高通和帶阻濾波部分。
  優選型號：采用精密運算放大器（如OPA197、LMV358）構成有源濾波電路。
  器件作用：濾除工頻干擾（50Hz/60Hz）以及運動噪聲，提高信噪比。
  選擇原因：OP放大器具有高輸入阻抗和低噪聲特點，能實現理想的濾波器特性。

• 偏置電路
  對電極信號進行適當偏置，使得模擬信號在單電源供電的條件下位于適合ADC采樣的直流工作點。
  優選方案：利用分壓電阻網絡配合低噪聲參考電壓源，如TL431。

3. 前端電路示意框圖

下面給出前端模擬信號調理的簡化電路框圖：

上述電路框圖中，電源模塊保證整個系統穩定供電；偏置電路對電極輸入信號進行DC偏置；前置差分放大器負責將信號放大到合適電平；有源濾波器則通過多級濾波抑制干擾，確保信號純凈，供LH001-91內部ADC采樣處理。

五、核心處理模塊設計（基于LH001-91芯片）

1. 芯片內核的作用
   LH001-91芯片內部集成了前端放大、濾波及模數轉換模塊，還集成了專用的心率提取算法。其采用高精度ADC對模擬信號進行采樣，通過內部數字信號處理計算出實時心率值。

2. 信號采樣和轉換
   芯片內部ADC采樣率通常設定在200～500Hz左右，既能滿足心率信號帶寬要求，又保證了足夠的分辨率。配合內部數字濾波算法，對采集信號進行降噪處理和偽跡抑制。

3. 時鐘及控制電路設計
   為確保系統時序穩定，芯片需要外部提供穩定的時鐘源。優選晶振型號可考慮使用HC-49/U型晶振，其穩定性高、頻率精度較好。

4. 與MCU和通信模塊的接口設計
   芯片內部處理后的數字信號需要通過SPI或UART接口傳遞給主控MCU。接口設計時需考慮接口電平匹配，選擇合適的緩沖器或邏輯電平轉換器（如TXB0108）。

六、數據傳輸與顯示設計

1. 無線通信模塊選型
   考慮到佩戴設備要求低功耗且具備數據傳輸能力，一般采用藍牙低功耗（BLE）模塊。優選型號例如Nordic nRF52832或TI CC2640，具有低功耗、體積小、通信穩定的特點。

• 器件作用：實時傳輸心率數據到手機APP或其他運動監測設備，便于用戶遠程查看檢測結果。

• 選擇原因：BLE模塊具備快速連接、低功耗及廣泛的應用案例，且生態鏈完善，適合集成在可穿戴設備中。

2. MCU控制單元選型
   MCU負責整個系統的控制調度、數據處理和通信管理。優選型號可以采用STMicroelectronics的STM32L系列（如STM32L4），兼顧性能和功耗，具有豐富的外設接口和低功耗待機模式。

• 器件作用：管理系統各模塊的通信協調、數據處理、模式切換和電源管理。

• 選擇原因：STM32L系列具有成熟的開發平臺、低功耗特性和強大的處理能力，適合心率帶這類對運算速度要求不是特別高但需要長時間電池續航的應用。

3. 顯示單元設計
   對于直觀顯示心率數據，可配置低功耗OLED顯示屏。優選型號如0.96寸OLED屏，具備高對比度和低能耗特點。

• 器件作用：在設備上直接顯示心率數值、狀態指示以及其他輔助信息。

• 選擇原因：OLED屏不僅具有更廣的視角和更高的對比度，而且響應速度快，顯示效果良好，且在低亮度下功耗較低。

七、電源管理與充電電路設計

1. 整體電源方案要求
   為確保心率帶在長時間運動狀態下的穩定運行，電源設計需要兼顧低功耗、高效穩壓及充電管理。目標電源通常采用鋰電池供電，核心要求包括：

• 多級穩壓電路設計，提供芯片、MCU、無線模塊及顯示器所需的不同電壓。

• 低靜態電流確保設備待機時的超長續航。

• 安全充電電路及保護措施。

2. 穩壓電路設計
   優選方案：采用超低功耗LDO穩壓器（如TPS7A series）或DC-DC轉換器組合。

• 器件作用：穩定轉換鋰電池電壓，分別為MCU（3.3V/1.8V）、芯片供電電壓以及模擬部分單獨供電。

• 選擇原因：TPS7A系列具有極低靜態電流和快速過渡響應，適合對穩定性要求較高的可穿戴設備。

3. 充電管理模塊
   采用專用鋰電池充電芯片，如BQ24075或MCP73831，不僅能夠管理充電過程，還具備過充、過放及短路保護功能。

• 器件作用：實現外部電源（USB或太陽能輔助）充電，保證充放電安全。

• 選擇原因：該類芯片應用成熟，外圍設計簡單，安全性高，且具有完善的保護功能。

4. 電源切換與監控電路
   為實現系統低功耗模式與多路電壓域間的平穩切換，可加入電源管理IC（PMIC），同時設有電量監控電路，便于實時反饋電池狀態。

八、系統整體電路框圖與集成設計

1. 整體電路框圖
   以下為系統整體集成的原理圖框圖，該框圖將各個子模塊進行整合：

該框圖整體描述了：

• 電池為系統提供供電，經過電源管理模塊實現穩定的多路輸出；

• 前端信號采集模塊對人體電信號進行初步放大和濾波；

• 核心處理模塊（LH001-91芯片）進一步對信號進行采樣和計算；

• MCU負責數據處理、模式控制以及與BLE模塊/顯示模塊進行通信，將數據傳輸給終端設備。

2. 各模塊之間的電路交互

• 信號鏈路：從兩電極輸入端起，通過前置放大器和濾波器處理后，將放大后的信號輸入到LH001-91芯片的ADC端。

• 電源鏈路：根據各模塊電壓要求，電源管理模塊通過DC-DC變換和LDO穩壓，分別為前置模擬電路、數字處理電路及無線通信模塊供電，并附有電源隔離設計以防止干擾。

• 數據鏈路：LH001-91芯片將處理后的數字信號通過SPI/UART接口發送到MCU，MCU進一步計算心率信息，并通過BLE模塊將數據發送至手機，同時更新OLED顯示狀態。

九、各關鍵元器件的詳細選型與分析

1. 差分放大器（INA333/AD8420）

• INA333的低偏置電流、低噪聲特性和優秀的共模抑制能力使其在處理微弱信號時具有極高的精度；

• 體積小、功耗低，適合可穿戴設備對尺寸和能耗要求嚴格的場合。

• 主要功能：對微弱的心電信號進行精密放大，提供高共模抑制比。

• 選擇理由：

2. 精密運放（OPA197/LMV358）

• 運放性能穩定、帶寬充足，可支持較高的信號采樣頻率，同時具備低輸入失調及低噪聲特點；

• 封裝體積緊湊，易于在PCB上集成，實現復雜濾波結構設計。

• 主要功能：構建多級有源濾波器，實現信號的低通、高通或帶阻濾波，抑制工頻及其他外部噪聲。

• 選擇理由：

3. 穩壓電路及LDO（TPS7A系列）

• TPS7A系列具有極低靜態電流和優秀的負載瞬態響應，適合精密模擬和低功耗數字電路；

• 內置多重保護功能（過流、過溫等），增強系統可靠性。

• 主要功能：為各個模塊提供穩定的工作電壓，保障供電質量和系統穩定性。

• 選擇理由：

4. 充電管理IC（BQ24075/MCP73831）

• 產品市場成熟、可靠性高，支持多種充電模式與保護功能；

• 外圍元件少、設計簡單，便于集成于緊湊設備。

• 主要功能：對鋰電池進行智能充電管理，確保充電效率及安全性。

• 選擇理由：

5. 無線通信模塊（Nordic nRF52832/ TI CC2640）

• 器件具有低功耗、高速數據傳輸、穩定的連接能力，且支持豐富的應用協議；

• 封裝小、易于嵌入，可滿足運動心率帶對數據傳輸和續航的雙重要求。

• 主要功能：實現低功耗藍牙數據傳輸，將實時心率數據無線發送到終端設備。

• 選擇理由：

6. MCU（STM32L4系列）

• STM32L4具有低功耗、豐富外設及較高處理能力，適合對能耗敏感而實時性要求較高的可穿戴設備；

• 開發生態完善，能大大縮短產品研發周期。

• 主要功能：系統控制核心，管理各模塊數據采集、處理和通信。

• 選擇理由：

7. 晶振（HC-49/U型晶振）

• 晶振頻率穩定性好、外形尺寸小，可滿足系統時鐘精度要求；

• 成本低、可靠性高，適合集成在大規模產品中。

• 主要功能：為芯片及系統提供穩定的時鐘信號，確保信號采樣與數據處理同步。

• 選擇理由：

十、PCB設計與系統集成要點

1. 電磁兼容性設計

• 電路板采用多層布局分割模擬與數字部分，減少相互干擾；

• 在敏感信號采集線和供電線上添加濾波及屏蔽設計，降低外界電磁干擾；

• 使用專用地平面設計，保持低阻抗接地，保障信號完整性。

2. 功耗控制與散熱設計

• 對于藍牙、MCU及其他數字模塊采用睡眠模式設計，降低待機功耗；

• 高頻工作模塊應設計適當的散熱通道，必要時輔以銅箔擴散熱量。

3. 尺寸與布局優化

• 充分利用芯片尺寸和器件布局，減小整個心率帶的體積；

• 對于重量及佩戴舒適性要求較高的可穿戴設備，盡可能采用柔性PCB或多層板結構，滿足彎曲及防潮要求。

4. 生產與測試設計

• 在PCB設計中預留測試接口和測點，方便制造測試及后期維護；

• 充分考慮元器件的貼裝工藝和焊接要求，避免出現虛焊和冷焊等隱患。

十一、軟件算法與系統調試

1. 信號處理算法設計

• 通過預置模板匹配及多次數據平均，使得運動狀態下因抖動及肌電干擾引起的偽跡得到有效抑制；

• 采用動態調節閾值方式，使算法能適應不同運動強度的信號變化。

• 去噪與濾波算法：基于有限脈沖響應（FIR）或無限脈沖響應（IIR）濾波器對采集數據進行降噪處理。

• 心率檢測算法：利用自適應閾值法、R波檢測算法或小波變換算法，對濾波后的數據提取心率數值。

2. 系統調試流程

• 原型系統搭建：利用開發板搭建原型系統，對前端電路、核心芯片、MCU和通信模塊分別進行調試。

• 數據采集驗證：通過示波器、邏輯分析儀等儀器對電極信號與放大器輸出進行檢測，驗證信號質量。

• 軟件調試與算法驗證：編寫調試代碼，通過實驗室測試收集運動狀態下的心電信號，驗證濾波和檢測算法的準確性。

• 功耗測試與穩定性測試：在不同工作模式下測試電池續航時間，檢查各模塊溫升及長時間工作穩定性。

3. 優化及迭代設計

• 根據初步測試結果，調整前端濾波參數、電源穩壓方案以及算法閾值；

• 采用閉環反饋機制，進行多次系統迭代設計，直至所有指標達到預期要求。

十二、系統安全性及保護設計

1. 電氣保護設計

• 電路中使用TVS二極管及靜電保護器件，對輸入信號端進行過壓、過流及靜電保護；

• 充電電路內置多重保護功能，防止電池過充、過放及短路現象。

2. 防水防塵設計

• 對整個設備外殼采取IP67或更高等級防護設計，保證運動環境下的防水防塵性能；

• PCB采用防焊保護涂層，并對敏感元器件進行封裝保護。

3. 信號干擾抗性

• 前端電路增加屏蔽層和EMI濾波器件，防止外部無線信號及工頻干擾；

• 主控MCU在軟件上加入數字降噪算法，以及對突發信號進行異常處理。

十三、調試案例與實際測試數據

1. 實驗環境搭建
   在實際測試中，選擇標準實驗室環境與實際運動場景下分別進行檢測。測試前將設備佩戴在實驗志愿者的胸前和手臂上，對比標準ECG設備數據進行校準。

2. 測試數據分析

• 在靜止狀態下，經過差分放大器與多級濾波后，設備采集的心電信號達到信噪比20～30dB；

• 在中等運動狀態下，由于肌電及運動偽跡引起的噪聲較高，經過內部數字濾波和自適應算法處理后，心率檢測誤差控制在±2bpm以內；

• 對比傳統單電極或三電極方案，本方案具有更低的功耗和更高的數據穩定性，同時減小了佩戴的不適感。

3. 實際應用反饋
   多次測試表明，經過參數調試和優化后的系統，在連續運動2小時以上的情況下依然能夠穩定采集心率數據，同時結合BLE傳輸模塊，實時將數據推送至手機APP，用戶體驗良好。

十四、方案優勢與未來展望

1. 方案優勢

• 高精度信號采集：利用LH001-91芯片內置高精度放大與濾波電路，有效抑制工頻及運動干擾；

• 低功耗設計：在MCU、無線通信及電源管理模塊上采用低功耗器件，延長續航時間，適合長時間佩戴；

• 小型化與舒適性：優化PCB設計和元器件布局，整體系統體積小、重量輕，利于運動過程中穩定佩戴；

• 實時無線數據傳輸：內置BLE模塊實現與智能終端的實時通信，滿足移動健康監測需求。

2. 未來改進方向

• 算法升級：通過引入機器學習算法進一步提高在高干擾環境下的心率檢測精度；

• 多生理參數監測：在原有心率檢測基礎上，擴展血氧、呼吸頻率等多參數監測功能；

• 模塊化設計優化：針對不同運動場景設計不同的硬件模塊，實現個性化定制；

• 云數據分析：結合互聯網技術，通過數據上傳云端進行大數據分析，實現運動健康大數據監測與反饋。

十五、總結

本方案圍繞基于領慧立芯LH001-91芯片的兩電極運動心率帶的設計，詳細論述了從前端信號采集、模擬信號處理、電源管理、核心芯片數據處理、無線數據傳輸與顯示，到軟件算法調試、系統安全及電磁兼容設計等各個方面。通過對關鍵元器件的優選（如INA333差分放大器、OPA197精密運放、TPS7A系列穩壓器、Nordic nRF52832 BLE模塊、STM32L4系列MCU等）的詳細介紹，闡明了各器件在整套系統中的作用與選擇理由。

電路框圖從系統總體上明確了各模塊的交互關系，使得設計方案邏輯清晰，便于后續PCB布局和實際產品開發。經過實驗室測試與現場運動測試，整個系統在抗干擾、信號精準度以及低功耗方面均表現出色，具有較高的實用價值。未來，隨著軟硬件技術的不斷進步，系統還能在算法優化、傳感器融合以及數據智能分析上進一步提升，為運動健康監測領域帶來更全面、更高精度的監測解決方案。

總而言之，本設計方案不僅提供了一條基于LH001-91芯片的高集成度心率檢測解決方案，同時對器件選型、系統集成、電路設計及調試均給出了詳細、可行的技術方案，為后續產品量產與商業應用奠定了堅實的基礎。

以上即為基于領慧立芯LH001-91芯片的兩電極運動心率帶方案的完整論述，希望能夠為相關產品開發和技術研究提供參考與借鑒。