基于MAX32664的可穿戴光學測量方案

本文介紹MAX32664超低功耗微控制器作為生物識別傳感器中樞測量心率、血氧、SpO2、睡眠、壓力等。Maxim的生物測量算法與傳感器中樞集成，精確到美國FDA標準，提供原始或處理后的數據，輕松減輕主機微控制器的負載。

介紹

基于光電容積脈搏波（PPG）技術的光學測量解決方案在日益流行的可穿戴市場中的應用越來越廣泛。Maxim Integrated推出了一些全面的光學生物傳感解決方案，旨在支持這些設備的健康監測功能。本文介紹這些傳感器方案，重點介紹Maxim集成光學人體生理指標測量算法和MAX32664低功耗生物識別傳感器集線器的性能和優勢。

Maxim提供完整的光學生物傳感解決方案

用于可穿戴設備的完整光學生物傳感解決方案，包括四個主要部分：

性能卓越的傳感器：Maxim Integrated推出了一系列適用于人耳、手腕、指尖、額頭、腹部和其他測量身體部位的光學測量傳感器。這些傳感器測量生理特征，如心率 （HR）、心率變異性 （HRV）、血壓趨勢 （BPT） 和血氧飽和度 （SpO2).該系列產品具有小尺寸、低功耗和高信噪比（SNR）的特點，可為測量系統提供高質量的原始數據。

高性能、高精度人體生理指標測量算法：Maxim Integrated算法團隊完成基本生理指標（HR、HRV、SpO）的測量2和BPT），并確定算法輸出精度可以滿足美國食品和藥物管理局（FDA）的測量標準。此外，Maxim算法還可以創建支持高級應用的輸出，如行為和運動檢測以及睡眠監測?？蛻艨梢詾樘囟☉眠x擇不同的算法模塊。所有算法都集成在MAX32664低功耗生物傳感器集線器中，使主機微控制器單元（MCU）可以自由地執行系統中的其他任務，并消除所有類型的算法許可負擔。

系統級設計仿真和驗證：生理特征的測量需要涵蓋不同的人群，以及膚色、體毛、血容量和其他可能影響測量結果的差異性生物因素的差異。光學測量方法在結構上容易受到環境光的干擾，其微小信號也會受到硬件設計中其他高頻信號的干擾的影響。這些因素大大增加了產品設計的難度。Maxim Integrated可以提供完整的設計規范和參考設計，以支持結構和硬件設計過程?？蛻糁恍栊薷膮⒖荚O計即可完成定制設計，大大縮短產品設計周期。

專業的臨床驗證指導：美信集成在產品開發過程中積累了豐富的臨床驗證經驗，與世界各地的權威認證機構保持著良好的合作關系。這些寶貴的經驗可用于指導客戶進行相關權威機構的臨床驗證和認證。

回顧一下，Maxim Integrated 完整的光學生物傳感開發解決方案為客戶提供了選擇產品功能的靈活性，從而大大縮短了產品設計周期和驗證時間。他們還可以將解決方案無縫集成到自己的開發平臺中，從而縮短上市時間。

傳感器集線器簡介

MAX32664是Maxim集成人體生理指數測量方案的一部分，具有用于可穿戴設備的嵌入式固件和算法。它可無縫實現客戶所需的傳感器功能，包括與Maxim集成光學傳感器解決方案通信以及輸出原始數據或算法數據。主機只需通過I讀取MAX32664的輸出2C接口獲得所需的生物特征測量結果。圖2給出了系統框圖。

圖2.系統框圖。

圖3.MAX32664硬件框圖

傳感器集線器的硬件介紹

MAX32664是Maxim集成的下一代超低功耗MCU之一。MAX32664（圖3）具有以下特點：

卓越的計算能力：超低功耗的 Arm Cortex-M4 MCU，帶有浮點單元 （FPU） 和最高工作時鐘 （96MHz）。??

高集成度：內置 256KB 閃存、96KB RAM、16KB 指令緩存和 14 個通用 I/O 引腳。

外設資源：一個 SPI/I2用于與傳感器通信的 C 接口和一個 I2C接口，用于與主機通信;實時時鐘 （RTC） 和 UART 支持。

微小尺寸：WLP（1.6 毫米 x 1.6 毫米 x 0.65 毫米）。

超低功耗：45μW/MHz @ 工作模式，85nW/KB @ 數據保留模式。

豐富的高性能算法

圖4.算法模塊框圖。

Maxim集成算法團隊在生理指標算法方面已經孜地工作了五年多。它開發了豐富的基礎和高級應用算法。算法團隊在這方面有一個長期規劃，不僅要不斷優化現有算法，還要開發新的應用算法。上述算法模塊可以集成到MAX32664傳感器中樞，主機通過I讀取算法結果2C接口，大大縮短了開發周期。此外，每個傳感器集線器變體都有參考設計，可顯著縮短設計時間并立即收集數據進行評估。

算法模塊（圖 4）具有：

基本算法：

模擬前端（AFE）管理：控制光傳感，計算信號質量，在不犧牲算法精度的情況下實現最低功耗，并選擇最佳的光傳感器驅動模式。

行為檢測和運動補償：對休息、跑步、騎行等基本活動進行分類，并對生理指標進行運動補償。

心率檢測：心率和心率。

SpO2測量：適用于手腕、額頭和耳朵等。這是衡量睡眠質量的基本指標。

高級應用算法：

睡眠質量和狀態。

BPT測量：現在僅支持指尖解決方案，精度可達FDA測量標準。呼吸頻率。

Maxim Integrated推出了四種不同的算法解決方案，基于不同的測試站點和不同的光學測量傳感器，以滿足客戶需求（圖5）：

MAX32664 A版本：采用MAX30101/2光學測量模塊，可測量心率、心率和色差2從指尖。

MAX32664 D版本：使用MAX30101/2光學測量模塊，測量心率、心率、色差2，以及指尖的 BPT。

MAX32664 B版本：配備MAX86140/1光學測量AFE，該版本根據手腕或前額測量多種生理指標，包括HR、HRV、計步、卡路里計算和行為分類。

MAX32664 C版本：配備MAX86140/1光學測量AFE，可根據手腕或前額測量多種生理指標，包括心率、心率、SpO2、步數計算、卡路里計算和行為分類。

使用傳感器集線器設計超低功耗應用

表 1.MAX32664模式和功耗（單位：mW）

MAX32664支持兩種供電方式（表1）。采用不同的供電方式，MAX32664在有源模式下的功耗大不相同。如果主機的電源靈活可行，請選擇雙電源模式。

得益于Maxim集成算法團隊的高效算法設計和MAX32664的高計算能力，MAX32664可以在很短的時間內計算出算法結果，并自動進入超低功耗深度睡眠模式。表2顯示傳感器中樞的平均計算時間小于5%，平均功耗低于0.8mW，降至0.43mW。

MAX32664進入深度睡眠模式后，主機只需下拉睡眠喚醒引腳MFIO即可喚醒，易于實現。

（五DD： 1.8V， V核心： 1.1V， CPU 時鐘： 96MHZ， 傳感器集線器測量間隔： 1s）

算法在線升級

MAX32664具有出廠設置的引導加載程序，支持I2C接口，允許算法的在線升級。換句話說，生物識別傳感器中樞可以在出廠后升級到新的或更優化的算法。

審核編輯：郭婷