一、方案概述
本方案基于领慧立芯LH001-91芯片，实现对人体心率信号的实时采集和处理。方案采用两电极设计，在胸部或腕部佩戴，通过皮肤接触采集心电信号，再经过前端模拟信号调理、数字信号处理模块实现心率计算，并通过低功耗无线通信模块（如BLE）实现数据传输。整个方案不仅要满足运动过程中的实时性和稳定性要求，还要注重功耗控制、信号抗干扰设计以及系统集成后的舒适佩戴体验。本文从总体框架、电路系统设计、元器件的选型和作用、原理图及PCB布局设计、软件算法和测试调试等方面进行详尽描述。

二、芯片功能简介及关键技术指标
LH001-91是领慧立芯推出的一款专用运动心率检测芯片，其主要功能模块包括低噪声前置放大器、滤波器、模数转换器（ADC）、以及内置的数字信号处理算法核心。其核心技术指标主要有：

1. 高灵敏度低功耗心电信号采集；

2. 内置前端低噪声放大电路，适合微弱生物电信号采集；

3. 模数转换精度高，适合连续实时采样；

4. 内置数字滤波及心率提取算法，在运动等动态环境下能准确判断心率；

5. 支持多种通信接口，便于与MCU、BLE模块协同工作。

因此，芯片在整个心率带方案中起到数据采集、放大、滤波以及部分信号处理的作用，是整个方案的核心器件。

三、系统总体架构
本方案总体架构主要分为以下几个部分：

1. 信号采集模块
   采用两电极传感器结构，通过差分放大器采集人体表面微弱心电信号。前端电路设计需兼顾低噪声、高共模抑制、及合适的电极匹配。

2. 前端模拟信号调理模块
   信号进入前置放大后，还需经过精心设计的模拟滤波器，进行低通、高通和带阻滤波，抑制工频干扰、运动伪迹等噪声。

3. 核心处理模块
   LH001-91芯片内嵌的模拟前端和数字处理模块协同工作，将采集到的信号经过内置ADC数字化，并利用内部算法对数据进行滤波、降噪、心率提取。

4. 数据传输与显示模块
   利用低功耗MCU及BLE模块，将实时采集到的心率数据通过蓝牙发送到手机或其他终端，并配合局部的显示单元（如OLED或LED）用于即时反馈。

5. 电源管理模块
   为保证设备长时间稳定工作，设计低功耗电源管理电路，包括锂电池供电、稳压模块、充电管理以及功耗优化设计。

下文将从各个子模块进行详细阐述，给出元器件优选型号、器件作用及选型原因，并提供电路框图。

四、前端信号采集与调理设计

1. 两电极信号采集方案的意义
   心电信号幅值通常在毫伏级别，且包含大量工频干扰。采用两电极设计，可以最大限度降低共模噪声影响，并利用差分放大器实现有效信号提取。LH001-91芯片内置专用前置放大器，其性能与外部电路设计密切相关，因此需要合理选用高精度、低噪声元器件。

2. 模拟前端设计及优选元器件
   为确保信号的高保真度，前端模拟电路通常采用以下模块：

• 差分放大器（Instrumentation Amplifier）
  优选型号：INA333、AD8420等。
  器件作用：用于将微弱的心电信号转换为适合后续处理的电平，同时具有优异的共模抑制性能。
  选择原因：INA333具有低偏置电流、低噪声、低失调电压等优点，适用于高精度信号采集。

• 滤波器设计
  包括低通、高通和带阻滤波部分。
  优选型号：采用精密运算放大器（如OPA197、LMV358）构成有源滤波电路。
  器件作用：滤除工频干扰（50Hz/60Hz）以及运动噪声，提高信噪比。
  选择原因：OP放大器具有高输入阻抗和低噪声特点，能实现理想的滤波器特性。

• 偏置电路
  对电极信号进行适当偏置，使得模拟信号在单电源供电的条件下位于适合ADC采样的直流工作点。
  优选方案：利用分压电阻网络配合低噪声参考电压源，如TL431。

3. 前端电路示意框图

下面给出前端模拟信号调理的简化电路框图：

上述电路框图中，电源模块保证整个系统稳定供电；偏置电路对电极输入信号进行DC偏置；前置差分放大器负责将信号放大到合适电平；有源滤波器则通过多级滤波抑制干扰，确保信号纯净，供LH001-91内部ADC采样处理。

五、核心处理模块设计（基于LH001-91芯片）

1. 芯片内核的作用
   LH001-91芯片内部集成了前端放大、滤波及模数转换模块，还集成了专用的心率提取算法。其采用高精度ADC对模拟信号进行采样，通过内部数字信号处理计算出实时心率值。

2. 信号采样和转换
   芯片内部ADC采样率通常设定在200～500Hz左右，既能满足心率信号带宽要求，又保证了足够的分辨率。配合内部数字滤波算法，对采集信号进行降噪处理和伪迹抑制。

3. 时钟及控制电路设计
   为确保系统时序稳定，芯片需要外部提供稳定的时钟源。优选晶振型号可考虑使用HC-49/U型晶振，其稳定性高、频率精度较好。

4. 与MCU和通信模块的接口设计
   芯片内部处理后的数字信号需要通过SPI或UART接口传递给主控MCU。接口设计时需考虑接口电平匹配，选择合适的缓冲器或逻辑电平转换器（如TXB0108）。

六、数据传输与显示设计

1. 无线通信模块选型
   考虑到佩戴设备要求低功耗且具备数据传输能力，一般采用蓝牙低功耗（BLE）模块。优选型号例如Nordic nRF52832或TI CC2640，具有低功耗、体积小、通信稳定的特点。

• 器件作用：实时传输心率数据到手机APP或其他运动监测设备，便于用户远程查看检测结果。

• 选择原因：BLE模块具备快速连接、低功耗及广泛的应用案例，且生态链完善，适合集成在可穿戴设备中。

2. MCU控制单元选型
   MCU负责整个系统的控制调度、数据处理和通信管理。优选型号可以采用STMicroelectronics的STM32L系列（如STM32L4），兼顾性能和功耗，具有丰富的外设接口和低功耗待机模式。

• 器件作用：管理系统各模块的通信协调、数据处理、模式切换和电源管理。

• 选择原因：STM32L系列具有成熟的开发平台、低功耗特性和强大的处理能力，适合心率带这类对运算速度要求不是特别高但需要长时间电池续航的应用。

3. 显示单元设计
   对于直观显示心率数据，可配置低功耗OLED显示屏。优选型号如0.96寸OLED屏，具备高对比度和低能耗特点。

• 器件作用：在设备上直接显示心率数值、状态指示以及其他辅助信息。

• 选择原因：OLED屏不仅具有更广的视角和更高的对比度，而且响应速度快，显示效果良好，且在低亮度下功耗较低。

七、电源管理与充电电路设计

1. 整体电源方案要求
   为确保心率带在长时间运动状态下的稳定运行，电源设计需要兼顾低功耗、高效稳压及充电管理。目标电源通常采用锂电池供电，核心要求包括：

• 多级稳压电路设计，提供芯片、MCU、无线模块及显示器所需的不同电压。

• 低静态电流确保设备待机时的超长续航。

• 安全充电电路及保护措施。

2. 稳压电路设计
   优选方案：采用超低功耗LDO稳压器（如TPS7A series）或DC-DC转换器组合。

• 器件作用：稳定转换锂电池电压，分别为MCU（3.3V/1.8V）、芯片供电电压以及模拟部分单独供电。

• 选择原因：TPS7A系列具有极低静态电流和快速过渡响应，适合对稳定性要求较高的可穿戴设备。

3. 充电管理模块
   采用专用锂电池充电芯片，如BQ24075或MCP73831，不仅能够管理充电过程，还具备过充、过放及短路保护功能。

• 器件作用：实现外部电源（USB或太阳能辅助）充电，保证充放电安全。

• 选择原因：该类芯片应用成熟，外围设计简单，安全性高，且具有完善的保护功能。

4. 电源切换与监控电路
   为实现系统低功耗模式与多路电压域间的平稳切换，可加入电源管理IC（PMIC），同时设有电量监控电路，便于实时反馈电池状态。

八、系统整体电路框图与集成设计

1. 整体电路框图
   以下为系统整体集成的原理图框图，该框图将各个子模块进行整合：

该框图整体描述了：

• 电池为系统提供供电，经过电源管理模块实现稳定的多路输出；

• 前端信号采集模块对人体电信号进行初步放大和滤波；

• 核心处理模块（LH001-91芯片）进一步对信号进行采样和计算；

• MCU负责数据处理、模式控制以及与BLE模块/显示模块进行通信，将数据传输给终端设备。

2. 各模块之间的电路交互

• 信号链路：从两电极输入端起，通过前置放大器和滤波器处理后，将放大后的信号输入到LH001-91芯片的ADC端。

• 电源链路：根据各模块电压要求，电源管理模块通过DC-DC变换和LDO稳压，分别为前置模拟电路、数字处理电路及无线通信模块供电，并附有电源隔离设计以防止干扰。

• 数据链路：LH001-91芯片将处理后的数字信号通过SPI/UART接口发送到MCU，MCU进一步计算心率信息，并通过BLE模块将数据发送至手机，同时更新OLED显示状态。

九、各关键元器件的详细选型与分析

1. 差分放大器（INA333/AD8420）

• INA333的低偏置电流、低噪声特性和优秀的共模抑制能力使其在处理微弱信号时具有极高的精度；

• 体积小、功耗低，适合可穿戴设备对尺寸和能耗要求严格的场合。

• 主要功能：对微弱的心电信号进行精密放大，提供高共模抑制比。

• 选择理由：

2. 精密运放（OPA197/LMV358）

• 运放性能稳定、带宽充足，可支持较高的信号采样频率，同时具备低输入失调及低噪声特点；

• 封装体积紧凑，易于在PCB上集成，实现复杂滤波结构设计。

• 主要功能：构建多级有源滤波器，实现信号的低通、高通或带阻滤波，抑制工频及其他外部噪声。

• 选择理由：

3. 稳压电路及LDO（TPS7A系列）

• TPS7A系列具有极低静态电流和优秀的负载瞬态响应，适合精密模拟和低功耗数字电路；

• 内置多重保护功能（过流、过温等），增强系统可靠性。

• 主要功能：为各个模块提供稳定的工作电压，保障供电质量和系统稳定性。

• 选择理由：

4. 充电管理IC（BQ24075/MCP73831）

• 产品市场成熟、可靠性高，支持多种充电模式与保护功能；

• 外围元件少、设计简单，便于集成于紧凑设备。

• 主要功能：对锂电池进行智能充电管理，确保充电效率及安全性。

• 选择理由：

5. 无线通信模块（Nordic nRF52832/ TI CC2640）

• 器件具有低功耗、高速数据传输、稳定的连接能力，且支持丰富的应用协议；

• 封装小、易于嵌入，可满足运动心率带对数据传输和续航的双重要求。

• 主要功能：实现低功耗蓝牙数据传输，将实时心率数据无线发送到终端设备。

• 选择理由：

6. MCU（STM32L4系列）

• STM32L4具有低功耗、丰富外设及较高处理能力，适合对能耗敏感而实时性要求较高的可穿戴设备；

• 开发生态完善，能大大缩短产品研发周期。

• 主要功能：系统控制核心，管理各模块数据采集、处理和通信。

• 选择理由：

7. 晶振（HC-49/U型晶振）

• 晶振频率稳定性好、外形尺寸小，可满足系统时钟精度要求；

• 成本低、可靠性高，适合集成在大规模产品中。

• 主要功能：为芯片及系统提供稳定的时钟信号，确保信号采样与数据处理同步。

• 选择理由：

十、PCB设计与系统集成要点

1. 电磁兼容性设计

• 电路板采用多层布局分割模拟与数字部分，减少相互干扰；

• 在敏感信号采集线和供电线上添加滤波及屏蔽设计，降低外界电磁干扰；

• 使用专用地平面设计，保持低阻抗接地，保障信号完整性。

2. 功耗控制与散热设计

• 对于蓝牙、MCU及其他数字模块采用睡眠模式设计，降低待机功耗；

• 高频工作模块应设计适当的散热通道，必要时辅以铜箔扩散热量。

3. 尺寸与布局优化

• 充分利用芯片尺寸和器件布局，减小整个心率带的体积；

• 对于重量及佩戴舒适性要求较高的可穿戴设备，尽可能采用柔性PCB或多层板结构，满足弯曲及防潮要求。

4. 生产与测试设计

• 在PCB设计中预留测试接口和测点，方便制造测试及后期维护；

• 充分考虑元器件的贴装工艺和焊接要求，避免出现虚焊和冷焊等隐患。

十一、软件算法与系统调试

1. 信号处理算法设计

• 通过预置模板匹配及多次数据平均，使得运动状态下因抖动及肌电干扰引起的伪迹得到有效抑制；

• 采用动态调节阈值方式，使算法能适应不同运动强度的信号变化。

• 去噪与滤波算法：基于有限脉冲响应（FIR）或无限脉冲响应（IIR）滤波器对采集数据进行降噪处理。

• 心率检测算法：利用自适应阈值法、R波检测算法或小波变换算法，对滤波后的数据提取心率数值。

2. 系统调试流程

• 原型系统搭建：利用开发板搭建原型系统，对前端电路、核心芯片、MCU和通信模块分别进行调试。

• 数据采集验证：通过示波器、逻辑分析仪等仪器对电极信号与放大器输出进行检测，验证信号质量。

• 软件调试与算法验证：编写调试代码，通过实验室测试收集运动状态下的心电信号，验证滤波和检测算法的准确性。

• 功耗测试与稳定性测试：在不同工作模式下测试电池续航时间，检查各模块温升及长时间工作稳定性。

3. 优化及迭代设计

• 根据初步测试结果，调整前端滤波参数、电源稳压方案以及算法阈值；

• 采用闭环反馈机制，进行多次系统迭代设计，直至所有指标达到预期要求。

十二、系统安全性及保护设计

1. 电气保护设计

• 电路中使用TVS二极管及静电保护器件，对输入信号端进行过压、过流及静电保护；

• 充电电路内置多重保护功能，防止电池过充、过放及短路现象。

2. 防水防尘设计

• 对整个设备外壳采取IP67或更高等级防护设计，保证运动环境下的防水防尘性能；

• PCB采用防焊保护涂层，并对敏感元器件进行封装保护。

3. 信号干扰抗性

• 前端电路增加屏蔽层和EMI滤波器件，防止外部无线信号及工频干扰；

• 主控MCU在软件上加入数字降噪算法，以及对突发信号进行异常处理。

十三、调试案例与实际测试数据

1. 实验环境搭建
   在实际测试中，选择标准实验室环境与实际运动场景下分别进行检测。测试前将设备佩戴在实验志愿者的胸前和手臂上，对比标准ECG设备数据进行校准。

2. 测试数据分析

• 在静止状态下，经过差分放大器与多级滤波后，设备采集的心电信号达到信噪比20～30dB；

• 在中等运动状态下，由于肌电及运动伪迹引起的噪声较高，经过内部数字滤波和自适应算法处理后，心率检测误差控制在±2bpm以内；

• 对比传统单电极或三电极方案，本方案具有更低的功耗和更高的数据稳定性，同时减小了佩戴的不适感。

3. 实际应用反馈
   多次测试表明，经过参数调试和优化后的系统，在连续运动2小时以上的情况下依然能够稳定采集心率数据，同时结合BLE传输模块，实时将数据推送至手机APP，用户体验良好。

十四、方案优势与未来展望

1. 方案优势

• 高精度信号采集：利用LH001-91芯片内置高精度放大与滤波电路，有效抑制工频及运动干扰；

• 低功耗设计：在MCU、无线通信及电源管理模块上采用低功耗器件，延长续航时间，适合长时间佩戴；

• 小型化与舒适性：优化PCB设计和元器件布局，整体系统体积小、重量轻，利于运动过程中稳定佩戴；

• 实时无线数据传输：内置BLE模块实现与智能终端的实时通信，满足移动健康监测需求。

2. 未来改进方向

• 算法升级：通过引入机器学习算法进一步提高在高干扰环境下的心率检测精度；

• 多生理参数监测：在原有心率检测基础上，扩展血氧、呼吸频率等多参数监测功能；

• 模块化设计优化：针对不同运动场景设计不同的硬件模块，实现个性化定制；

• 云数据分析：结合互联网技术，通过数据上传云端进行大数据分析，实现运动健康大数据监测与反馈。

十五、总结

本方案围绕基于领慧立芯LH001-91芯片的两电极运动心率带的设计，详细论述了从前端信号采集、模拟信号处理、电源管理、核心芯片数据处理、无线数据传输与显示，到软件算法调试、系统安全及电磁兼容设计等各个方面。通过对关键元器件的优选（如INA333差分放大器、OPA197精密运放、TPS7A系列稳压器、Nordic nRF52832 BLE模块、STM32L4系列MCU等）的详细介绍，阐明了各器件在整套系统中的作用与选择理由。

电路框图从系统总体上明确了各模块的交互关系，使得设计方案逻辑清晰，便于后续PCB布局和实际产品开发。经过实验室测试与现场运动测试，整个系统在抗干扰、信号精准度以及低功耗方面均表现出色，具有较高的实用价值。未来，随着软硬件技术的不断进步，系统还能在算法优化、传感器融合以及数据智能分析上进一步提升，为运动健康监测领域带来更全面、更高精度的监测解决方案。

总而言之，本设计方案不仅提供了一条基于LH001-91芯片的高集成度心率检测解决方案，同时对器件选型、系统集成、电路设计及调试均给出了详细、可行的技术方案，为后续产品量产与商业应用奠定了坚实的基础。

以上即为基于领慧立芯LH001-91芯片的两电极运动心率带方案的完整论述，希望能够为相关产品开发和技术研究提供参考与借鉴。