专利名称：耳机装置的制作方法
耳机装置
技术领域：
本发明涉及一种耳机，尤其是涉及一种具有心率监测及运动效果监测的耳机装置。
背景技术：
耳机在人们的日常生活中被广泛使用，但是现有的耳机仅仅具有音频聆听(有的 还具有麦克风)的功能，功能单一。另一方面，随着物质生活水平提高，人们对健康的需求也不断提高。尽管现在也有 一些电子装置具有运动效能和生理参数监测的某些功能，但是这些功能通常都被单独的嵌 入到一些专用的便携式装置上，如计步器、心率仪等，限制了大众消费者的购买和使用。上述便携式装置可以随时收集人体数据供分析，以随时检测人体的健康、运动状 况。但是便携式的监测装置仅仅以监测某个参数为目的，功能较为单一，为实现多个参数的 监测，可能需要同时携带多个装置，所以将多种监测功能附属于人们日常生活中常用的电 子产品上不失为一种较好的选择。通常，用户在不同的时候都会使用不同的电子产品，而且不同的电子产品即使都 能够收集用户生命体征参数的数据，也都是分散存储的。对于想要全面且随时收集数据都 会有诸多不便。
发明内容有鉴于此，有必要提供一种既能集中收集、处理数据，又便于携带的耳机装置。一种耳机装置，包括耳机塞，其特征在于，还包括运动和生理监测装置，所述运动 和生理监测装置包括参数检测单元，用于获取生理参数或运动参数；分析单元，与所述参 数检测单元相连对生理参数或运动参数进行处理；存储器，与所述分析单元相连存储所述 处理后的生理参数或运动参数。将运动和生理监测装置与耳机结合，在使用耳机功能的同时可以适用于在多种使 用不同电子设备的场合集中收集和处理人的生命体征数据，便于携带，使用方便。优选地，该耳机装置还包括耳机插头，所述耳机插头和耳机塞通过耳机线连接，所 述运动和生理监测装置设于耳机线上。优选地，该耳机装置还包括数据传输电路，通过分析单元将存储器中的数据与外 部设备进行交换；所述耳机插头为四节插头，包括相互分隔的左音频节、右音频节、接地节 以及多功能节，所述左音频节和右音频节通过音频处理电路连接耳机塞的左右两边，获取 外部音频设备的音频信号并输出声音到耳机塞，所述接地节用于接地，所述多功能节与数 据传输电路连接。优选地，该耳机装置还包括麦克风以及连接麦克风并处理麦克风语音的麦克风语 音电路，所述麦克风语音电路连接分析单元和所述多功能节，将处理后的语音信号传输给 分析单元和所述多功能节。
优选地，该耳机装置还包括为分析单元供电的电池及连接外部电源与所述电池为 所述电池充电的充电电路，所述充电电路与所述多功能节相连。优选地，该耳机装置还包括无源开关电路，所述无源开关电路根据多功能节上的 电压使数据传输电路、麦克风语音电路和充电电路中的一个与所述多功能节连通。优选地，若多功能节上电压的直流分量在第一电压阈值以下，则所述无源开关电 路连通数据传输电路和多功能节，进行数据传输；若多功能节上电压的直流分量在第一电 压阈值至第二电压阈值之间，则所述无源开关电路连通麦克风语音电路和多功能节，接收 麦克风的语音输入；若多功能节上电压的直流分量超过第三电压阈值，则所述无源开关电 路连通充电电路和多功能节，为电池充电；其中第三电压阈值大于第二电压阈值，第二电压 阈值大于第一电压阈值。优选地，该耳机装置还包括配件，所述配件包括用于插接耳机插头的耳机接口、连 接电脑的USB插口以及连接耳机插口与USB插口的转换器，所述转换器将USB插口和耳机 之间的信号进行转换后传输数据或充电。优选地，所述参数检测单元包括加速度计和心率传感器中的一种或两种。优选地，所述分析单元对所述生理参数或运动参数进行的处理包括心率计算、血 氧含量计算、血糖计算、计步、距离计算、运动时间计算、能量消耗计算以及情绪和状态分析 中的一种或两种以上。优选地，所述分析单元还进行双击判断以及语音提示，所述双击判断指判定外界 对运动和生理监测装置的双击动作，双击动作判定后作语音提示，以语音的形式提供当前 健康状况或运动状态。优选地，所述双击动作是指在时间阈值内连续的两次单击动作，根据加速度净值 和设定的加速度阈值进行比较来判断单击动作，加速度净值大于加速度阈值即视为一次单 击动作。优选地，静止状态下，所述加速度净值由加速度计检测到的加速度消除重力加速 度后合成得到。优选地，加速度计检测到的加速度消除垂直方向的运动加速度，然后进行合成得 到加速度净值。优选地，该耳机装置还包括连接至分析单元的音频电路，所述音频电路设于连接 左音频节和右音频节与耳机塞的连接线上，所述音频电路将语音提示的信号和外部音频设 备的音频信号进行合成和处理。
图1为实施例1的多功能耳机的结构示意图；图2为耳机插头的结构示意图；图3为耳机插头的外观示意图；图4为运动和生理监测装置内部结构示意图；图5为参数检测单元示意图；图6为配件的示意图；图7为静止状态下被敲击的物体加速度变化的波形图8为被敲击的物体加速度合成后的波形图；图9为运动过程中敲击物体加速度变化的波形图。
具体实施方式大多数电子装置都有音频接口，对于在不同的时间使用不同的电子装置又需要随 时监测自身状态的人来说，将监测装置与耳机结合不失为一种较好的选择。实施例1如图1所示，为本实施例的耳机装置的结构示意图。该多功能耳机包括耳机插头 100、运动和生理监测装置200、耳机塞300以及耳机线400。耳机线400连接耳机插头100 和耳机塞300，运动和生理监测装置200设于耳机线400上。在其他的实施方式中，耳机装 置也可采用无线连接方式。耳机插头100结构如图2所示，包括相互隔离的左音频节110、右音频节120、接地 节130以及多功能节140。左音频节110和右音频节120分别连接至耳机塞300的左右两 喇叭，接地节130用于接地。多功能节140通过处理电路连接至运动和生理监测装置200。 其外部结构示于图3。运动和生理监测装置200用于采集人体的生理参数(例如血压、心率、呼吸频率 等)或运动参数(例如步数、步率等)并存储。另外，运动和生理监测装置200还可以分析 生理参数或运动参数并将健康状况或运动状态的分析数据报告给用户。如图4所示，运动和生理监测装置200包括用于获取生理参数或运动参数的参数 检测单元230、对生理参数或运动参数进行处理的分析单元210、存储生理参数和运动参数 的存储器220。存储器220和参数检测单元230均与分析单元210相连。分析单元210进行的处理包括对收集的参数经过模数转换、整理归纳成各种原始 的数据文件进行存储；或对参数进行分析处理后得到关于健康状况和运动状态的数据。如图5所示，参数检测单元230包括加速度计231和心率传感器232，在应用中根 据实际情况可以选择上述检测或传感装置的一种或两种，或者添加更多检测或传感装置以 扩展应用功能。根据参数检测单元230检测的参数，分析单元210可进行的分析包括心率计算、 血氧含量计算、血糖计算、计步、距离计算、运动时间计算、能量消耗计算以及情绪和状态 分析。例如，根据加速度计231测得的加速度信号的波动变化，分析获得步数，即实现计步 功能；根据预设的每一步的距离和测得的步数可以计算出行进的距离等；根据心率传感器 232测得的信号可以计算出单位时间内心脏的跳动次数，即心率。本实施例的耳机装置可进一步包括数据传输电路250。数据传输电路250连接至 分析单元210，可通过分析单元210将存储器220中的数据与外部设备交换。数据传输电路 250与多功能节140连接。本实施例的耳机装置可进一步包括麦克风，以及与麦克风相应的处理电路，即麦 克风语音电路260。麦克风语音电路260连接麦克风、分析单元210和多功能节140。用户 的语音通过麦克风输入，经麦克风语音电路260处理后得到用户的语音信号，该语音信号 同时传输给分析单元210和多功能节140，分析单元210可根据用户的语速、语调等信息分 析用户的情绪和健康状态。
本实施例的耳机装置可进一步包括电池270充电电路280。电池270与分析单元 210连接，可提供分析单元210在无外接电源情况下的工作的电源，电池270是可充电电池， 通过充电电路280连接至多功能节140，插接外部设备后可对电池270反复充电。在其他的 实施方式中，电池也可以是外置式一次性电池，可通过更换保证耳机装置的运动和生理监 测装置200正常工作。数据传输电路250、麦克风语音电路260以及充电电路280均与耳机插头100的多 功能节140连接，而每个电路的功能都不相同，因此需要根据耳机插头100插入的设备来决 定启用哪个电路进行工作。本实施例采用的方式是利用各种电子元器件，包括电阻、电容、 晶体管等组成无源开关电路240实现1X3的开关功能。无源开关电路240根据多功能节 140上的电压使数据传输电路250、麦克风语音电路260和充电电路280中的一个与多功能 节140连通。具体的，在该无源开关电路240中，利用多功能节140上的电压的直流分量DC 进行判断若多功能节上电压的直流分量在第一电压阈值以下，则连通数据传输电路和多 功能节，进行数据传输；若多功能节上电压的直流分量在第一电压阈值至第二电压阈值之 间，则连通麦克风语音电路和多功能节，接收麦克风的语音输入；若多功能节上电压的直流 分量超过第三电压阈值，则连通充电电路和多功能节，为电池充电；其中第三电压阈值大于 第二电压阈值，第二电压阈值大于第一电压阈值。其中，第一电压阈值、第二电压阈值和第三电压阈值分别示例为1V、2V和4V。如 DC >= 4V时只接通充电电路280，从多功能节140获得的外部电源对电池270进行充电； DC在1 2V间将只接通麦克风语音电路260，麦克风采集的语音信号可通过多功能节140 输出；DC<= IV将只接通数据传输电路250，采集、分析和存储的生理参数、运动参数可以 通过多功能节140输出到外部设备，例如个人电脑等。本实施例的多功能耳机可进一步包括配件500，如图6所示。配件500包括用于插 接耳机插头的耳机插口 510、连接电脑的USB插口 520以及连接耳机插口 510和USB插口 520的转换器530，转换器530将USB插口 520和耳机插口 510之间的信号转换后进行数据 传输或充电。当耳机插头100插进电子设备的音频接口时，其多功能节140上的电压的直流分 量的大小是符合公共标准的，即在1 2V间，此时麦克风就可以进行语音输入，多功能耳机 可以当做普通耳机使用；当耳机插头100插进配件500的耳机接口 510，USB插口 520插入 电脑的USB接口时，配件500根据是传输数据还是充电的不同，经过转换器530的处理，使 多功能节140上的电压的直流分量分别适应连通数据传输电路250与多功能节140，或者连 通充电电路280与多功能节140。本实施例的多功能耳机可独立实现人体生命体征的数据收集和分析，且可作为普 通的耳机使用，携带和使用都很方便。其具体的工作方式如下参数检测单元230检测生理参数或运动参数，将生理参数或运动参数传递给分析 单元210，分析单元210分析计算健康状况或运动状态的分析数据，完成分析后将健康状况 或运动状态的分析数据以及生理参数或运动参数存储在存储器220中。通过配件500连接电脑后，还可以给运动和生理监测装置200充电或与运动和生 理监测装置200通信。通信具体来说是，将测量到的运动效果和/或生命体征数据读到电 脑进行存储或进一步的分析；将通过电脑设置的一些参数传回到运动和生理监测装置200以进行设置，如设定受测者的年龄、身高、跑步时的步长等。运动或生理参数可以以原始的数据文件进行存储，或者对测得的参数进行分析处 理后得到关于健康状况和运动状态的数据来存储。对于原始的数据，可将其导入个人电脑 进行更为详细的分析，比如生成月度报告、年度报告等；而经过初步分析的数据可供用户随 时调用了解，比如提供显示屏显示，提供操作菜单调用用户感兴趣数据等。实施例2上述耳机装置能收集、存储和分析数据，如果用户想随时了解当前状态可以通过 显示屏来操作了解，这在运动中可能有所不便。为此，还可在上述实施例的基础上加入语音提示的功能，将当前健康状况或运动 状态随时报告给用户。本实施例的多功能耳机的语音提示功能通过双击运动和生理监测装 置200实现。参数检测单元230中的加速度计感应加速度信号，由分析单元210进行双击判断 和语音提示。双击判断指判定外界对运动和生理监测装置200的双击动作，双击动作判定 后作语音提示，以语音的形式提供当前健康状况或运动状态。本实施例的多功能耳机可进一步包括音频电路290，音频电路290设于耳机塞300 与左音频节Iio和右音频节120的连接线上，并与分析单元210相连。音频电路290将耳 机插头100传输的音频信号与分析单元传输的语音信号进行合成处理，若无耳机插头100 传输的音频信号，则直接播放语音提示的语音信号；若有耳机插头100传输的语音信号，则 压低耳机插头100传输的语音信号的播放音量，同时播放语音提示的语音信号。双击判断是以加速度计测量的加速度为基础来进行分析的，本实施例的加速度计 231是三轴加速度计，三轴加速度计感应在三维方向上的加速度分量大小(ax、ay、az)。在静 止状态下，三轴加速度计将感应Ig的重力加速度。即\α\ = ^α]+α]+α] =1 (g)随着加速度计的朝向的变化，三个轴向感应到的重力加速度分量也在不断变化。 然而，这种变化是相对缓慢的，在较高的采样率下，通过中值滤波的方法，可以提取出重力 加速度的慢变信号。然后用加速度信号减去这种重力加速度慢变信号，就得到了纯粹由被 测物体本身运动引起的加速度。图7显示了经过上述处理后的一个例子，被测物体经过单 次敲击或拍打，其三个轴方向上都会出现加速度的突然变化。双击动作是指在时间阈值内连续的两次单击动作，在被测物体经过单次敲击或拍 打后，分析单元210根据加速度净值和设定的加速度阈值进行比较来判断单击动作，加速 度净值大于加速度阈值即视为一次单击动作。在静止状态下或者运动加速度相对较小可以忽略的情况下，加速度净值可直接根 据被测物体本身运动引起的加速度合成，根据上述描述，物体本身运动引起的加速度已经 可以根据加速度计检测的加速度信号减去重力加速度的慢变信号获得。将被测物体本身运动引起的加速度合成即得到加速度净值，合成的加速度如图8 所示。设定加速度阈值，将加速度净值和加速度阈值进行比较，加速度净值超过加速度阈值 时，即可判定一次单击，分析单元210记录这次单击事件。而双击的判断，则是利用同样的 的处理方法，设定时间阈值，若所记录的单击事件之后在时间阈值之内出现第二次单击，则 将这两次连续的单击判断为双击。
上面的描述是在接近静态的情况下进行的敲击。事实上，在运动过程中，尤其是跑 步状态下，会产生很大的加速度信号，有时与敲击产生的信号很相似。图9示出在跑步过程 中敲击装置的加速度信号(未经过中值滤波等处理)。由图可见，跑步引起的加速度主要 在ζ轴分量上，而整个加速度数据的过程中混杂有若干次敲击引起的加速度。因此若要在 跑步这种运动状态下判定单击动作，需要在加速度计检测到的加速度消除跑步所产生的垂 直方向的运动加速度，然后再进行合成得到加速度净值。本实施例采用以下的方法来进行运动状态下的单击检测。跑步引起的加速度尖峰，主要是出现在每一步落地的瞬间。每一步落地时的瞬间 在垂直地面方向向下近似自由落体运动，而落地的一霎那转为静止(触地)进而向上运动 (蹬地开始下一步)。因此，跑步引起的加速度尖峰是垂直地面方向的。进一步的，对跑步 进行计步的分析主要是对垂直方向的加速度分量进行分析处理。如图9所示，ζ轴方向主 要反映了垂直方向的加速度分量，而其他两轴则相应的反应水平方向的分量。为了不妨碍 计步功能的正常进行，在监测到每一步落地的前后一小段时间(如0. 1秒)，敲击检测只分 析水平方向的加速度分量。利用这种方法，就可以在跑步过程中保证运动和生理监测的条 件下，进行有效的单击检测。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种耳机装置，包括耳机塞，其特征在于，还包括运动和生理监测装置，所述运动和 生理监测装置包括参数检测单元，用于获取生理参数或运动参数；分析单元，与所述参数检测单元相连对生理参数或运动参数进行处理；存储器，与所述分析单元相连存储所述处理后的生理参数或运动参数。
2.如权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，还包括耳机插头，所述耳机插头和耳机 塞通过耳机线连接，所述运动和生理监测装置设于耳机线上。
3.如权利要求2所述的耳机装置，其特征在于，还包括数据传输电路，通过分析单元将存储器中的数据与外部设备进行交换；所述耳机插头为四节插头，包括相互分隔的左音频节、右音频节、接地节以及多功能 节，所述左音频节和右音频节通过音频处理电路连接耳机塞的左右两边，获取外部音频设 备的音频信号并输出声音到耳机塞，所述接地节用于接地，所述多功能节与数据传输电路 连接。
4.如权利要求3所述的耳机装置，其特征在于，还包括麦克风以及连接麦克风并处理 麦克风语音的麦克风语音电路，所述麦克风语音电路连接分析单元和所述多功能节，将处 理后的语音信号传输给分析单元和所述多功能节。
5.如权利要求4所述的耳机装置，其特征在于，还包括为分析单元供电的电池及连接 外部电源与所述电池为所述电池充电的充电电路，所述充电电路与所述多功能节相连。
6.如权利要求5所述的耳机装置，其特征在于，还包括无源开关电路，所述无源开关电 路根据多功能节上的电压使数据传输电路、麦克风语音电路和充电电路中的一个与所述多 功能节连通。
7.如权利要求6所述的耳机装置，其特征在于，若多功能节上电压的直流分量在第一电压阈值以下，则所述无源开关电路连通数据传 输电路和多功能节，进行数据传输；若多功能节上电压的直流分量在第一电压阈值至第二电压阈值之间，则所述无源开关 电路连通麦克风语音电路和多功能节，接收麦克风的语音输入；若多功能节上电压的直流分量超过第三电压阈值，则所述无源开关电路连通充电电路 和多功能节，为电池充电；其中第三电压阈值大于第二电压阈值，第二电压阈值大于第一电压阈值。
8.如权利要求2至7中任一项所述的耳机装置，其特征在于，还包括配件，所述配件包 括用于插接耳机插头的耳机接口、连接电脑的USB插口以及连接耳机接口与USB插口的转 换器，所述转换器将USB插口和耳机插口之间的信号进行转换后传输数据或充电。
9.如权利要求1至7中任一项所述的耳机装置，其特征在于，所述参数检测单元包括加 速度计和心率传感器中的一种或两种。
10.如权利要求9所述的耳机装置，其特征在于，所述分析单元对所述生理参数或运动 参数进行的处理包括心率计算、血氧含量计算、血糖计算、计步、距离计算、运动时间计算、 能量消耗计算以及情绪和状态分析中的一种或两种以上。
11.如权利要求10所述的耳机装置，其特征在于，所述分析单元还进行双击判断以及 语音提示，所述双击判断指判定外界对运动和生理监测装置的双击动作，双击动作判定后作语音提示，以语音的形式提供当前健康状况或运动状态。
12.如权利要求11所述的耳机装置，其特征在于，所述双击动作是指在时间阈值内连 续的两次单击动作，根据加速度净值和设定的加速度阈值进行比较来判断单击动作，加速 度净值大于加速度阈值即视为一次单击动作。
13.如权利要求12所述的耳机装置，其特征在于，所述加速度净值由加速度计检测到 的加速度消除重力加速度后合成得到。
14.如权利要求12所述的耳机装置，其特征在于，加速度计检测到的加速度消除垂直 地面方向的运动加速度，然后进行合成得到加速度净值。
15.如权利要求11所述的耳机装置，其特征在于，还包括连接至分析单元的音频电路， 所述音频电路设于连接左音频节和右音频节与耳机塞的连接线上，所述音频电路将语音提 示的信号和外部音频设备的音频信号进行合成和处理。
全文摘要
一种耳机装置，属于耳机领域。该耳机装置包括耳机塞以及运动和生理监测装置，所述运动和生理监测装置包括参数检测单元，用于获取生理参数或运动参数；分析单元，与所述参数检测单元相连对生理参数或运动参数进行处理；存储器，与所述分析单元相连存储所述处理后的生理参数或运动参数。参数检测单元检测人体生理或运动参数并传递给分析单元进行分析，获得人体健康状况和运动状态的分析数据并进行存储，便于用户随时了解。将运动和生理监测装置与耳机结合，可以适用于在多种使用不同电子设备的场合集中收集和分析人的生命体征数据，便于携带，使用方便。
文档编号A61B5/145GK102006528SQ20091018968
公开日2011年4月6日 申请日期2009年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者何世雄, 王明业, 雷浩良, 马楚天 申请人:幻音数码有限公司, 幻音科技(深圳)有限公司