移動電話的普及使我們能夠隨時隨地撥打電話迫横。又經過20年的創(chuàng)新后，語音通話已不再是手機這款智能設備的主要功能往产，它不僅可以拍攝美麗的照片、播放音頻和視頻流文件贵少，而且還提供各種各樣的服務：現在還逐漸成為我們的私人教練表箭。
配備傳感器或者連接到穿戴式傳感器后，這些設備可用來監(jiān)控日呈铝停活動和個人健康狀況当宴。在不斷增強的健康意識推動下抹锄，人們開始關注測量生命體征參數：如心率、體溫侨糟、血氧飽和度、血壓、活動水平(運動量)和脂肪燃燒量、以及追蹤這些參數的日常變化趨勢。
現在裳瘪，裝有多個傳感器的通用傳感器前端可監(jiān)控這些參數。最大的挑戰(zhàn)是最大程度地縮小尺寸并延長電池使用壽命荒典。本文討論面向迅猛增長的可穿戴電子產品市場的解決方案撵术。
1案狠、最重要的生命體征信號
沒了心跳撼嗓，我們就會有大麻煩厦画，因此淳地，脈搏或心率至今仍是我們需監(jiān)控的最重要的參數劝评。除了每分鐘心跳次數以外初斑，我們還想檢查心臟行為與活動量的關系檀轨。心律也非常重要，因為快速變化的心率是心臟疾病的征兆欺嗤。
心率和心臟活動監(jiān)護通常是使用心電圖(ECG)測量生理電信號來實現参萄。連接到身體上的電極可測量心臟組織中心電的信號的活動。專業(yè)的診斷系統便是基于此原理煎饼，測量時胸部和四肢最多可連接10個電極拧揽。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關詳細信息。
單導聯ECG在體育界的應用越來越普遍淤袜，其使用雙電極胸帶來測量心臟活動。雖然可檢測到各種ECG波形衰伯，但大多數系統只測量心率铡羡。這些胸帶穿戴起來并不舒服，因此意鲸，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案烦周，例如將電極集成到運動衫上。
AD8232單導聯心率監(jiān)護儀前端(如圖1所示)就是專為此類低功耗可穿戴應用而開發(fā)的怎顾。該器件內置增益為100 V/V的儀表放大器和一個高通濾波器读慎，能阻止皮膚上電極的半電池電位產生的失調電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動產生的高頻分量(EMG信號)槐雾。此低功耗前端功耗為170 μA夭委，可與16位片上計量儀ADuCM350配合使用，進行高性能募强、單導聯ECG測量株灸。
2、測量心率的新方法
心率測量的新趨勢是光電容積圖(PPG)擎值，這是一種無需測量生物電信號就能獲得心臟功能信息的光學技術慌烧。PPG主要用于測量血氧飽和度(SpO2)，但也可不進行生物電信號測量就提供心臟功能信息鸠儿。借助PPG技術屹蚊，心率監(jiān)護儀可集成到手表或護腕等可穿戴設備上。由于生理電勢法的信號電平極其微弱进每，所以無法做到這一點汹粤。
在光學系統中，光從皮膚表面投射出來品追。再由光電傳感器測量紅細胞吸收的光量玄括。隨著心臟跳動，不斷變化的血容量使接收到的光量分散開來肉瓦。在手指或耳垂上進行測量時遭京，由于這些部位有相當多的動脈血，使用紅光或紅外光源可獲得最佳精度泞莉。不過哪雕，手腕表層很少有動脈存在，腕部穿戴式設備必須通過皮膚表層下面的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量鲫趁，因此綠光效果會更好斯嚎。
ADPD142光學模塊(如圖2所示)具備完整的光度測量前端，并集成光電傳感器、電流源和LED堡僻。該器件專為測量反射光而設計糠惫，可用來實現PPG測量。所有元件都封裝在一個小小的模塊上钉疫。
3硼讽、使用光學VSM所面臨的挑戰(zhàn)
利用腕部穿戴式設備測量PPG面臨的主要挑戰(zhàn)來自環(huán)境光和運動產生的干擾。陽光產生的直流誤差相對而言比較容易消除牲阁，但日光燈和節(jié)能燈發(fā)出的光線都帶有可引起交流誤差的頻率分量固阁。模擬前端使用兩種結構來抑制DC至100 kHz的干擾信號。模擬信號經過調理后城菊，14位逐次逼近型數模轉換器(ADC)將信號數字化备燃，再通過I2C接口發(fā)送到微處理器進行最終后處理。
同步發(fā)送路徑與光接收器并行集成在一起凌唬。其獨立的電流源可驅動兩個單獨的LED并齐，電流電平最多可編程至250 mA。LED電流是脈沖電流法瑟，脈沖長度在微秒級冀膝，因此可保持較低的平均功耗，從而最大程度地延長電池使用壽命霎挟。
LED驅動電路是動態(tài)電路且可即時配置窝剖，因此不受各種環(huán)境條件影響，例如環(huán)境光酥夭、穿戴者皮膚和頭發(fā)的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液赐纱，這些都會降低靈敏度。激勵LED配置非常方便熬北，可用于構建自適應系統疙描。所有時序和同步均由模擬前端處理，因此不會增加系統處理器的任何開銷讶隐。
ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED起胰，用于支持光學心率監(jiān)護；ADPD142RI集成紅光LED和紅外LED巫延，用于進行血氧飽和度(SpO2)測量效五。
4、運動的影響
運動也會干擾光學系統炉峰。當光學心率監(jiān)護儀用于睡眠研究時畏妖，這可能不是問題，但如果在鍛煉期間穿戴疼阔，運動腕表和護腕將很難消除運動偽像戒劫。光學傳感器(LED和光電檢測器)和皮膚之間的相對運動會降低光信號的靈敏度半夷。此外，運動的頻率分量也可能會被視為心率測量迅细，因此巫橄，必須測量該運動并進行補償。設備與人體相貼越緊密疯攒，這種影響就越小嗦随，但采用機械方式消除這種影響幾乎是不可能的。
我們可使用多種方法來測量運動敬尺。其中一種是光學方法，即使用多個LED波長贴浙。共模信號表示運動砂吞，而差分信號用來檢測心率。不過崎溃，最好是使用真正的運動傳感器蜻直。該傳感器不僅可準確測量應用于可穿戴設備的運動，而且還可用于提供其他功能袁串，例如跟蹤活動概而、計算步數或者在檢測到特定g值時啟動某個應用。
ADXL362是一款微功耗囱修、3軸MEMS(微機電系統)加速度計赎瑰，非常適合在電池供電型可穿戴應用中檢測運動。內置的12位ADC可將加速度值轉換為數字信號破镰，分辨率為1 mg餐曼。功耗隨采樣速率動態(tài)變化，當輸出數據速率為100 Hz時功耗僅為1.8 μA鲜漩，在400 Hz時 為3.0 μA源譬。 這些較高的數據速率對于用戶接口來說非常有用，例如單擊/雙擊檢測孕似。
對于在檢測到運動時啟動某個應用的情況踩娘，則無需進行高速采樣，因此可將數據速率降至6 Hz喉祭，此時平均功耗為300 nA养渴。因而，對于低功耗應用和不易更換電池的植入式設備來說臂拓，此傳感器非常有吸引力厚脉。ADXL362采用3.0 mm × 3.25 mm封裝。圖3顯示了不同電源電壓條件下電源電流與輸出數據速率之間的關系圖胶惰。
5傻工、系統中各傳感器的連接
系統的核心是混合信號片上計量儀ADuCM350，它與所有這些傳感器相連，并負責運行必要的軟件中捆，以及儲存鸯匹、顯示或傳送結果。該器件集成高性能模擬前端(AFE)和16 MHz ARM? Cortex?-M3處理器內核泄伪，如圖4所示殴蓬。
AFE的靈活性和微處理器豐富的功能組合使此芯片成為便攜式應用和可穿戴應用的理想選擇◇危可配置的AFE支持幾乎所有傳感器染厅，其可編程波形發(fā)生器可使用交流或直流信號為模擬傳感器供電。高性能的接收信號鏈會對傳感器信號進行調理津函，并使用無丟碼16位160 kSPS ADC將這些信號數字化肖粮。其中，后者的積分非線性(INL)/差分非線性(DNL)最大值為±1-LSB尔苦。該接收信號鏈支持任何類型的輸入信號涩馆，包括電壓、電流允坚、恒電勢魂那、光電流和復阻抗。
AFE可在獨立模式下工作稠项，無需Cortex-M3處理器干預涯雅。可編程時序控制器控制測量引擎皿渗，測量結果通過DMA儲存到存儲器內斩芭。開始測量前，可執(zhí)行校準程序乐疆，以校正發(fā)送和接收信號鏈中的失調和漂移誤差划乖。對于復阻抗測量，如血糖挤土、體質指數(BMI)或組織鑒別應用琴庵，內置DSP加速器可實現2048點單頻離散傅里葉變換(DFT)，而無需M3處理器干預仰美。這些高性能AFE功能使ADuCM350具有其他集成解決方案無可比擬的獨特優(yōu)勢迷殿。
Cortex-M3處理器支持多種通訊端口，包括I2S咖杂、USB庆寺、MIPI和LCD顯示驅動器(靜態(tài))。此外诉字，它還包括閃存懦尝、SRAM和EEPROM知纷，并且支持五種不同的電源模式，可最大程度地延長電池使用壽命陵霉。
ADuCM350設計用于超低功耗傳感器琅轧，性能限制為低速器件。對于要求更高處理能力的應用踊挠，可使用工作頻率高達80 MHz的M3內核或者Cortex-M4處理器內核乍桂。
6、功耗如何效床？
功耗一直是便攜式設備和可穿戴設備中的一個關鍵因素睹酌。本文介紹的設備在設計上要求性能高、尺寸小且功耗低剩檀，但在非常小的封裝內集成所有一切器件(包括電池)仍然是一個挑戰(zhàn)忍疾。盡管新的電池技術實現了每mm3更高的容量，但與電子產品相比谨朝，電池仍然體積較大。
能量采集可減小電池尺寸并延長電池使用壽命甥绿。能量收集技術有多種字币，包括熱電、壓電共缕、電磁和光電等技術洗出。對于可穿戴設備，利用光和熱最為合適图谷。 傳感器通常不會產生大量輸出功率翩活，因此每焦耳熱量都應當可以被捕獲和使用。ADP5090超低功耗升壓調節(jié)器(如圖5所示)橋接收集器和電池便贵。
此高效開關模式電源可將輸入電壓從低至100 mV升高到3 V菠镇。冷啟動期間，在電池完全放電的情況下承璃，最小輸入電壓為380 mV利耍，但在正常工作時，如果電池電量沒有完全耗盡或者還有一些電能留在超級電容內盔粹，任何低至100 mV的輸入信號都可轉換為較高的電位并儲存下來幻赚，以供稍后使用苹熏。該芯片采用微型3 mm × 3 mm封裝，并可進行編程來支持各種不同的能量收集傳感器。最大靜態(tài)電流為250 nA啥刻，支持幾乎所有電池技術，從鋰離子電池到薄膜電池以及超級電容均可已烤。集成式保護電路可確保其安全運行。
學習來源：ADI官網
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