可穿戴電子設備監測生命體征活動(dòng)水平等

當我還是個(gè)小男孩的時(shí)候，我媽媽總是確保我有足夠的零錢(qián)在緊急情況下打電話(huà)。二十年后，手機使我們能夠隨時(shí)隨地撥打電話(huà)。經(jīng)過(guò)20年的創(chuàng )新，手機不再是我們智能設備的關(guān)鍵功能，它可以拍攝精美的照片，流式傳輸音頻和視頻，提供各種服務(wù)，現在正在成為我們的私人教練。這些設備裝有傳感器或連接到身體佩戴的傳感器，可監控日?；顒?dòng)和個(gè)人健康。對我們健康的意識不斷提高，激發(fā)了人們對測量重要參數（如心率、溫度、血氧飽和度、血壓、活動(dòng)水平和燃燒的卡路里）的興趣，并跟蹤其日常趨勢。

現在，具有多個(gè)傳感器的通用傳感器前端可以監控這些參數。最大的挑戰是最小化尺寸和最大化電池壽命。本文討論了快速增長(cháng)的可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)的解決方案。

最重要的生命體征

如果沒(méi)有心跳，我們將遇到嚴重的麻煩，因此脈搏或心率是迄今為止要監測的最重要的參數。除了每分鐘的心跳次數外，我們還想檢查心臟的行為作為活動(dòng)的函數。節律也很重要，因為快速變化的心率是心臟病的征兆。

監測心率和心臟活動(dòng)通常是通過(guò)心電圖（ECG）測量生物電勢來(lái)完成的。連接到身體的電極測量由心臟組織中的電活動(dòng)引起的信號。該原理用于專(zhuān)業(yè)診斷系統，其中多達10個(gè)電極可以連接到胸部和四肢。心電圖提供有關(guān)一個(gè)心跳的各種組成部分（P波、QRS 波和 T 波）的詳細信息。

圖1.AD8232單導聯(lián)心電圖前端。

單導聯(lián)心電圖在體育界更為常見(jiàn)，雙電極胸帶測量心臟活動(dòng)?？梢?a target="_blank">檢測到ECG波形，但大多數系統僅測量心率。這些表帶不舒服，因此運動(dòng)和健康行業(yè)正在尋找替代品，例如將電極集成到運動(dòng)襯衫中。AD8232單導聯(lián)心率監測器前端（如圖1所示）專(zhuān)為此類(lèi)低功耗可穿戴應用而開(kāi)發(fā)。它包括一個(gè)增益為100 V/V的儀表放大器和一個(gè)高通濾波器，用于阻斷皮膚上電極半電池電位產(chǎn)生的失調電壓。輸出緩沖器和低通濾波器抑制肌肉活動(dòng)（EMG信號）產(chǎn)生的高頻分量。這款低功耗前端功耗為170 μA，可與ADuCM350 16位片上儀表配合使用，以執行高性能、單導聯(lián)ECG測量。

測量心率的新方法

測量心率的新趨勢是光電容積描記圖（PPG），這是一種在不測量生物電勢的情況下檢索心臟信息的光學(xué)技術(shù)。PPG主要用于測量血氧飽和度（SpO2），但無(wú)需生物電位測量即可提供心臟信息。借助PPG技術(shù)，心率監測器可以集成到手表或手鐲等可穿戴設備中。由于信號電平很小，這對于生物電勢系統是不可能的。

在光學(xué)系統中，光通過(guò)皮膚表面傳輸。紅細胞吸收的光用光電傳感器測量。隨著(zhù)心臟的跳動(dòng)，變化的血容量會(huì )散射接收到的光量。當在手指或耳垂上測量時(shí)，有大量動(dòng)脈血可用，紅色或紅外光源可提供最佳精度。然而，動(dòng)脈很少位于手腕頂部，因此使用腕戴式設備時(shí)，必須從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管中檢測脈動(dòng)成分，從而使綠光更好。

ADPD142光學(xué)模塊（如圖2所示）具有完整的光度前端，集成了光電傳感器、電流源和LED。專(zhuān)為反射測量而設計，可用于實(shí)現PPG測量。所有組件都安裝在一個(gè)小模塊中。

圖2.ADPD142 光模塊。

光學(xué)VSM的挑戰

在腕戴式設備上測量PPG的主要挑戰是由于環(huán)境光和運動(dòng)產(chǎn)生的偽影。產(chǎn)生直流誤差的太陽(yáng)相對容易抵消，但來(lái)自熒光燈和節能燈的光攜帶導致交流誤差的頻率分量。模擬前端使用兩種結構來(lái)抑制直流至100 kHz的干擾源。模擬信號調理后，14位逐次逼近模數轉換器（ADC）對信號進(jìn)行數字化處理，信號通過(guò)I2與微控制器的 C 接口，用于最終后處理。

同步發(fā)射路徑與光接收器并行集成。其獨立的電流源可以驅動(dòng)兩個(gè)獨立的LED，電流水平可編程高達250 mA。LED電流是脈沖的，脈沖長(cháng)度在微秒范圍內，因此平均功耗保持在較低水平，以最大限度地延長(cháng)電池壽命。

LED驅動(dòng)電路是動(dòng)態(tài)的，可即時(shí)配置，使其不受環(huán)境條件的影響，例如環(huán)境光、佩戴者皮膚和頭發(fā)的色調，或傳感器和皮膚之間的汗水，否則會(huì )降低靈敏度。激勵LED可以輕松配置，以構建自適應系統。所有定時(shí)和同步均由模擬前端處理，因此不需要系統處理器的開(kāi)銷(xiāo)。

ADPD142 提供兩個(gè)版本：ADPD142RG 集成了紅色和綠色 LED，以支持光學(xué)心率監測;ADPD142RI 集成了用于氧飽和度 （SpO 的紅光和紅外 LED）2） 測量。

運動(dòng)的影響

運動(dòng)也會(huì )干擾光學(xué)系統。當光學(xué)心率監測器用于睡眠研究時(shí)，這可能不是問(wèn)題，但在運動(dòng)期間佩戴的運動(dòng)手表和手鐲很難消除運動(dòng)偽影。光學(xué)傳感器（LED和光電探測器）和皮膚之間的運動(dòng)會(huì )降低光信號的靈敏度。此外，運動(dòng)的頻率分量可能被視為心率測量，因此必須測量和補償運動(dòng)。設備與身體的連接越緊，沖擊力就越低，但幾乎不可能通過(guò)機械方式抵消這一點(diǎn)。

使用各種方法來(lái)測量運動(dòng)。一種是光學(xué)的，使用多個(gè)LED波長(cháng)。公共信號指示運動(dòng)，而差分信號檢測心率。但是，最好使用真正的運動(dòng)傳感器。這不僅可以精確測量應用于可穿戴設備的運動(dòng)，還可以用于其他功能，例如跟蹤活動(dòng)、計算步數或在檢測到特定重力時(shí)啟動(dòng)應用程序。

ADXL362是一款微功耗、3軸MEMS（微機電系統）加速度計，非常適合檢測電池供電可穿戴應用中的運動(dòng)。其 12 位 ADC 將加速度轉換為分辨率為 1mg 的數字信號。功耗隨采樣速率動(dòng)態(tài)變化，100 Hz輸出數據速率時(shí)僅為1.8 μA，400 Hz時(shí)功耗為3.0 μA。這些較高的數據速率對于用戶(hù)界面非常有用，例如點(diǎn)擊/雙擊檢測。

對于在檢測到運動(dòng)時(shí)啟動(dòng)應用，不需要高速采樣，因此數據速率可以降低到6 Hz，導致平均功耗為300 nA。這使得該傳感器對低功率應用和植入式設備具有吸引力，在這些應用中，電池不容易更換。ADXL362采用3.0 mm×3.25 mm封裝。圖3顯示了幾種電源電壓下的電源電流與輸出數據速率的關(guān)系。

圖3.ADXL362電源電流與輸出數據速率的關(guān)系。

連接系統中的傳感器

連接所有這些傳感器、運行所需軟件以及存儲、顯示或傳輸結果的系統的核心是混合信號片上儀表ADuCM350，它將高性能模擬前端（AFE）與16 MHz ARM Cortex-M3處理器內核集成在一起，如圖4所示。AFE的靈活性和微處理器的豐富功能集使該芯片成為便攜式和可穿戴應用的理想選擇?？膳渲玫腁FE使其幾乎可以與任何傳感器一起使用，其可編程波形發(fā)生器為具有交流或直流信號的模擬傳感器供電。高性能接收信號鏈通過(guò)真正的 16 位、160kSPS ADC 調節傳感器信號并將其轉換為數字信號，該 ADC 具有最大 ±1LSB INL 和 DNL，并且無(wú)失碼。它可以與任何類(lèi)型的輸入信號一起使用，包括電壓、電流、恒電位儀、光電流和復阻抗。??

圖4.帶有集成AFE的Cortex-M3。

AFE 可以在獨立模式下運行，無(wú)需 Cortex-M3 處理器的參與?？删幊绦蛄衅骺刂茰y量引擎，結果通過(guò)DMA存儲到存儲器中。在開(kāi)始測量之前，可以執行校準程序來(lái)校正發(fā)送和接收信號鏈中的失調和漂移誤差。對于血糖、體重指數 （BMI） 或組織辨別應用等復雜阻抗測量，內置 DSP 加速器可提供 2048 點(diǎn)單頻離散傅里葉變換 （DFT），無(wú)需 M3 處理器的參與。這些高性能AFE特性使ADuCM350與其他集成解決方案獨一無(wú)二。

Cortex 處理器支持各種通信端口，包括2S、USB、MIPI 和 LCD 顯示驅動(dòng)器（靜態(tài)）。此外，它還包括閃存、SRAM 和 EEPROM，并支持五種不同的電源模式，以最大限度地延長(cháng)電池壽命。

ADuCM350設計用于超低功耗傳感器，僅限于低速器件。需要更多處理能力的應用程序可以使用運行頻率高達 80 MHz 的 M3 內核或 Cortex-M4 處理器內核。

權力呢？

功率始終是便攜式和可穿戴設備的關(guān)鍵因素。本文中描述的器件專(zhuān)為高性能、小尺寸和低功耗而設計，但將包括電池在內的所有器件集成到小型封裝中仍然是一個(gè)挑戰。盡管新的電池技術(shù)帶來(lái)了更大的每毫米容量3，與電子設備相比，電池仍然很大。

能量收集可以減小電池尺寸并延長(cháng)電池壽命。各種技術(shù)用于收集能量，包括熱電、壓電、電磁和光伏，其中光和熱最適合可穿戴設備。傳感器通常不提供很大的輸出功率，因此應捕獲并使用產(chǎn)生的每個(gè)焦耳。超低功耗升壓穩壓器ADP5090（如圖5所示）彌合了收集器和電池之間的差距。這款高效的開(kāi)關(guān)模式電源可將輸入電壓從低至 100 mV 提升至 3 V。在冷啟動(dòng)期間，電池完全放電后，需要 380mV 的最小輸入電壓，但在正常操作中，如果電池未完全耗盡或超級電容器中留下一些能量，任何低至 100 mV 的輸入信號都可以轉換為更高的電位并存儲以供以后使用。

該芯片采用微型 3 mm × 3mm 封裝，可編程用于各種收割機傳感器。它消耗的最大靜態(tài)電流為 250nA，可與從鋰離子電池到薄膜電池和超級電容器的幾乎所有電池技術(shù)配合使用。集成保護電路確保安全運行。

圖5.ADP5090能量收集器

結論

本文介紹了一些用于可穿戴和個(gè)人健康應用的低功耗產(chǎn)品，但這個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)正在迅速變化。

審核編輯：郭婷