【導讀】買一塊健康手表并監測身體參數，并不意味著您生活得更健康。關鍵在于通過較長時間監測某些身體參數來熟悉這些數值并加以利用，進而調整自己每天的生活以獲得改善。這個過程可幫助您了解身體如何工作，以及如何降低長期健康成本。
今天我們將圍繞 ADI 最新可穿戴 VSM 平臺和所有的傳感器技術來討論，該平臺如圖 1 所示。此平臺旨在提供一個參考，幫助電子設計人員和系統架構師加快開發過程，為專業和醫療市場設計出更新、更智能、更精確的可穿戴設備。
圖 1. ADI 第二代集成式可穿戴設備參考設計
測量什么？如何測量及在哪里測量？
通過可穿戴設備可測量各類重要身體參數。根據總體目標，測量某些參數比測量其他參數會更重要。可穿戴設備在身體上的位置在很大程度上決定了哪些參數可以測量，哪些不能測量。
● 最明顯的位置是手腕。我們已習慣于在手腕上戴個物件，所以市場上有很多智能手表和腕戴設備之類的產品。
● 頭部也是佩戴可穿戴設備的好地方。例如，各式各樣的頭戴式耳機和耳塞中含有嵌入式傳感器，用來測量心率、氧飽和度、溫度等參數。
● 身體上適合可穿戴設備的第三個位置是胸部。第一代心率監護儀就是設計在胸帶上，這種生物電位測量方法至今仍是非常精確的技術。不過，現在傾向于使用胸貼，因為胸帶穿戴起來不是很舒服。已有多家制造商設計智能胸貼以監測重要身體參數。
根據身體位置，我們不僅要選擇哪些參數可以測量，還要選擇使用何種技術。
● 針對心率測量，生物電位測量是最古老的技術之一。其信號很強，利用兩個或更多電極便可從身體中輕松獲取。針對此方法，將電路集成在胸帶或耳機中再好不過。然而，在腕部等單一點處測量生物電位信號幾乎不可能。必須在產生電信號的心臟周圍測量。
● 針對單點測量，光技術更合適。將光線射入組織中，捕捉并測量動脈中血流對光線的反射信號。從接收到的光信號可獲知逐搏心跳信息。該技術看似相當直截了當，但事實上存在多項挑戰和影響因素會使設計變得困難，比如運動和環境光線。
ADI 第二代可穿戴設備參考平臺集成了上述大部分技術。該設備設計戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設備貼在胸上，用作智能胸貼。該設備包含支持生物電位測量、光學心率測量、生物阻抗測量、運動跟蹤、溫度測量的技術，它們全都集成在一個微型電池供電設備中。
ADI 為什么設計該系統？
此類系統的目標是能夠評估各種檢測技術并輕松測量身體的多個重要參數。測量結果可存儲在閃存中，或通過BLE無線連接發送到智能設備。由于測量是同時進行，因此它也有助于發現多個參數之間的相關性。生物醫療工程師、算法提供商和企業家不斷尋找新技術、應用和使用場景以期及早檢測疾病，避免其發展到晚期，盡量降低疾病對身體的不利影響或損害。
傳感器成就ADI第二代可穿戴設備
第二代可穿戴設備圍繞兩片堆疊成三明治形狀的 PCB 設計而成。主板包含低功耗處理器、無線BLE和完整的電源管理部分（包括電池調理和充電）。第二片板支持所有檢測技術。
PPG 測量（光電血管容積圖）的光學系統圍繞 ADI 第二代光學模擬前端 ADPD107 而構建。ADPD 系列的功能框圖如圖2所示。
圖2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框圖
ADPD107 用作完整收發器，驅動系統中的 LED 并測量光電二極管的返回信號。目標是針對消耗的一定 LED 電流量（電流傳輸比），測量盡可能高的光電流。輸入接收信號鏈圍繞可配置跨阻放大器而設計，其中增益編程有四個步進，最高達到200k。第二級負責抑制環境光。環境光干擾是一個大問題，尤其是當調制光時，比如使用 LED 或節能燈的固態照明系統。環境光抑制模塊含有一個帶通濾波器，其后是一個積分器，用以支持同步解調。這是一個關鍵功能，能夠非常有效地抑制外部光干擾。當因為某種原因而不需要環境光抑制級時，可以徹底旁路此模塊。
● ADPD107
● 多功能光電式測量前端
● 完全集成式AFE、ADC、LED驅動器和時序內核
● 提供一流的環境光抑制性能，無需光電二極管濾光器
● 三個370 mA LED驅動器
● 每個光學樣本具有多個靈活的LED短脈沖
● 20位突發累加器支持每個采樣周期20位
● 片上樣本至樣本累加器，支持每次讀取數據高達27位
● 低功耗工作
● SPI、I2C接口和1.8 V模擬/數字內核
● 靈活的采樣頻率范圍：0.122 Hz至3820 kHz
● FIFO數據操作
光學系統運用光脈沖。它有三個可編程的LED電流源。最大 LED 電流是可編程的，可以高達 370 mA。脈沖寬度也是可編程的，可以窄至1 μs。但為了獲得良好的信號響應，脈沖寬度應在 2 μs 到 3 μs左右。通常會提供一系列 LED 脈沖，同時模數轉換器對與 LED 發射脈沖相關的光電二極管接收信號進行采樣。數字引擎能夠對多個樣本進行平均以提高整體有效位數。
除光學系統外，機械設計對整體性能也有重大影響。該第二代設備的光學元件選擇分立器件。這給光電二極管選擇和 LED 波長提供了很大的靈活性，并且放寬了機械約束，例如 LED 和光電二極管之間的間距。第二代設備支持兩個綠光 LED、一個紅光 LED 和一個紅外 LED。對于在光學系統設計方面沒有太多經驗的設計者，集成完整光學模塊可能更容易。
關于光電二極管的數量、大小及 LED 波長選擇，存在一些不同的考慮。最新模塊的開發基于以下考慮：即使安裝在塑料窗口后面，其也能表現出非常好的光學性能。第一代需要一個分離窗口來抑制內部光污染（可視為光串擾）。分離窗口有助于降低直接來自 LED 而未穿透到主體中的光線所引起的直流失調。這種分離窗口不容易集成，在成本上也沒有吸引力。最新系列 （比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ）已大幅改進，僅使用一個完整窗口，ILP效應幾乎已降至0。
AD8233
● 完全集成的單導聯心電圖 (ECG) 前端
● 低靜態電源電流：50 μA（典型值）
● 在關斷 (<1 μA 的電源電流) 情況下檢測導聯開/關狀態
● 共模抑制比：80 dB（直流至 60 Hz）
● 2 種或 3 種電極配置
● 高信號增益 (G = 100) 以及隔直流功能
● 二極可調高通濾波器
● 接受高達 ±300 mV 的半電池電勢
● 快速恢復功能可改善濾波器建立時間
● 通用運算放大器
● 具有可調增益的三極可調低通濾波器
● 具有關斷功能的集成右腿驅動 (RLD) 放大器
● 單電源供電：1.7 V 至 3.5 V
● 集成基準緩沖器產生虛地
● 軌至軌輸出
● 內部 RFI 濾波器
● 8 kV 人體模型 (HBM) ESD 額定值
● 關斷引腳
● 2 mm × 1.7 mm WLCSP
兩個 AD8233 模擬前端支持生物電位測量。AD8233（參見圖3）是 ADI 第二代單導聯 ECG 前端，嵌入了右腿驅動 (RLD) 功能，設計用于在高噪聲環境中提取、放大、過濾微弱的生物電位信號。此器件的重點應用是可穿戴設備、便攜式家庭護理系統和訓練裝備。AD8233 在交流耦合配置下工作。輸入級分為 2 個增益級。第一級的增益有限，后接一個二階高通濾波器和第二增益級。此輸入模塊的總增益為 100 V/V，其中減去了電極半電池電位所引起的失調。AD8233 的第二級結合了一個三階低通濾波器，它由 一個二階 Sallen Key 濾波器和一個額外低通濾波器聯合而成。此濾波器的作用是抑制所有來自肌肉活動的EMG相關信號。
圖3. AD8233 ECG前端功能框圖
生物電位前端的工作頻率取決于使用場景。僅需要QRS檢測的普通心率監護儀，其工作頻率范圍遠小于需要更多信息（例如來自P波、QRS波群和T波的時序和幅度數據）的 ECG 監護儀。AD8233 的目標頻段可通過外部電阻和電容配置。為提供靈活性，第二代可穿戴設備的ECG前端連接到嵌入式電極，配置為運動帶寬，支持 7 Hz 至 25 Hz 的目標頻段。第二個 AD8233 可以結合外部電極工作，配置用來監測 0.5 Hz 至 40 Hz 的信號。原理上可以選擇幾乎任何帶寬。然而，這要求修改硬件，改變 R 和 C 設置。
根據精度要求，AD8233 輸出可以送至傳感器板上 Cortex®-M3 處理器中嵌入的 12 位逐次逼近型 (SAR) ADC，或由獨立的 16 位 AD7689 SAR ADC 數字化。用戶可以根據精度或電池壽命進行權衡。
設備背面有兩個電極，這些電極具有雙重功能。除ECG測量外，其還可用于皮膚電活動 (EDA) 測量。
ADuCM3029
● EEMBC ULPBench™ 評分：245.5
（1）超低功耗活動和休眠模式
（2）活動模式（完全開啟模式）：< 30 μA/MHz（典型值）
（3）Flexi™ 模式（內核處于休眠、外設活動狀態）：< 300 μA（典型值）
（4）休眠模式（帶SRAM保留）：< 750 nA（典型值）
（5）關斷模式（可選RTC活動）：< 60 nA（典型值）
● 集成MPU的ARM® Cortex®-M3處理器
（1）串行線調試接口頻率最高達26 MHz
● 電源管理
（1）單電源供電(VBAT)：1.74 V至3.6 V
（2）可選降壓轉換器可提高效率
● 存儲器選項
（1）集成ECC的128 KB/256 KB嵌入式閃存
（2）4 KB高速緩存可降低有源功率
（3）64 KB可配置系統SRAM，帶奇偶校驗
（4）多達32 KB的SRAM，保留在休眠模式下
● 安全
（1）帶有專用片內振蕩器的看門狗
（2）內置可編程多項式的硬件CRC
（3）多奇偶校驗位保護的SRAM
（4）ECC保護嵌入式閃存
● 安全
（1）TRNG
（2）用戶代碼保護
（3）硬件加密加速度計，支持AES-128、AES-256和SHA-256
● 數字外設
（1）3個SPI接口，可與傳感器、無線電和轉換器實現無縫接口
（2）I2C和UART接口
（3）SPORT用于與轉換器和無線電本地連接
（4）可編程GPIO（LFCSP封裝有44個，WLCSP封裝有36個）
（4）3個支持PWM的通用定時器
（5）帶有SensorStrobe™和時間戳的RTC和FLEX_RTC
（6）可編程蜂鳴器
（7）25通道DMA控制器
● 時鐘特性
（1）26 MHz時鐘：片內振蕩器、外部晶體振蕩器
（2）32 kHz時鐘：片內振蕩器、低功耗晶體振蕩器
（3）具有可編程分頻器的集成式PLL
● 模擬外設
（1）12位SAR ADC、1.8 MSPS、8通道、數字比較器
EDA 或皮膚電反應 (GSR) 與皮膚電導率有關，而內部或外部刺激引起的情緒變化會暫時改變皮膚電導率，例如壓力或癲癇會導致皮膚阻抗改變。第二代設備能夠檢測這種微小的電導率變化。系統利用交流激勵信號，其施加于兩個干電極上。也可以使用濕電極，效果會更好。不過，該設備僅利用兩個嵌入式不銹鋼干電極。使用交流激勵信號的主要優勢是它不會使電極極 化。接收信號鏈代表一個跨阻放大器，后接 AD7689 16 位 SAR 型 ADC。出于性能原因，ADC 采樣速率遠高于激勵速率。ADC 輸出之后是一個運行在 ADuCM3029 處理器上的離散傅里葉變換 (DFT) 引擎，用以表示復阻抗。上述測量原理能以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導率，并且非常好地抑制 50 Hz/60 Hz 環境信號。電路基于此測量原理而構建，完全采用分立器件。這一設計決策的主要原因是靈活性、精度和相當低的功耗。與此同時，ADI 正在開發一款支持上述應用的新芯片。其精度非常高，而功耗極小。ADuCM350也支持類似測量，但此芯片未針對功耗敏感型應用而優化。
如果僅測量生命體征參數而不了解測量時身體處于何種狀態，那么可穿戴設備是無價值的。因此，運動檢測和剖析很重要。像光學心率監測之類的使用場景對運動非常敏感，運動可能完全破壞測量精度。有鑒于此，運動也需要加以追蹤以補償偽 像。運動傳感器有助于追蹤運動，如果需要，可以在最終讀數結果中補償運動。ADXL362 是目前功耗最低的運動傳感器。它有一個 3 軸MEMS傳感器并集成 12 位 ADC，可檢測X、Y和Z軸上的 運動。ADC 的輸出數據速率 (ODR) 反映傳感器的功耗，在每軸 400 Hz 的全ODR 時功耗為 3 μA。圖 4 顯示了功耗與輸出數據速率的關系曲線。
圖4. ADXL362功耗與輸出數據速率的關系
此傳感器也可用作運動激活開關。采樣速率可以降至僅 6 Hz。每隔 150 ms，傳感器便喚醒并測量運動。若無運動，它將徑直回到睡眠狀態，再睡眠 150 ms。當 g 力等于或高于設定的閾值水平且至少持續設定的最短時間時，說明檢測到運動，傳感器隨即產生中斷或使能電源開關以開啟應用。在此模式下，傳感器功耗僅 300 nA，依靠單顆紐扣電池便可運行數年。總結所有這些使用場景，可知運動傳感器在可穿戴設備中必不可少。
溫度檢測是另一個重要參數。這正是第二代可穿戴設備嵌入兩個溫度傳感器的原因。腕帶設備利用 NTC 測量皮膚溫度和設備內部溫度，通過與身體接觸的傳感器測量溫度的方法有多種。NTC 由分立電路供電和調理，16 位 ADC 最終將信號轉換到數字域。ADI 擁有類型廣泛和各種精度水平的溫度傳感器。第二代的溫度傳感器構建成分立式的原因是有 ADC 等多個功能可供使用，設計者可以盡可能多地重用若干模塊以減少冗余性，并節省更多功耗。
ADuCM3029——集大成者
第二代設備運用兩個處理器。并不是非要不可，其目的是提供更大的靈活性。帶無線 BLE 的接口板有一個處理器，該器件也用在傳感器板上以便能自主運行。
設備中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集傳感器數據并運行算法。圖 5 為該處理器中的集成模塊概覽。
圖5. ADuCM3029集成模塊
內核是一個 26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設組合、片上存儲器和模擬前端。它有4種工作模式，全面運行模式下的芯片功耗為 38 μA/MHz。如不需要處理能力，設備可在靈活模式下運行。在這種工作模式下，模擬前端運行，外設有效，測得的信號可通過 DMA 存儲在存儲器中。此模式的功耗僅有 300 μA，故該芯片對低功耗電池供電系統非常有吸引力。其中還嵌入了多項安全特性以保護代碼，并有一個硬件加速器用于加密功能。
使用場景的選擇
第二代可穿戴設備有很多用途。傳感器可以集成到智能手表中，但包括精確心率監測和運動/卡路里消耗測量在內的眾多功能對運動手表也很有利。智能手表和運動手表的主要區別在于對精度和電池壽命的取舍不同。
測量壓力或情感狀態。通常利用組合測量來獲得可靠的讀數，例如皮膚阻抗、心率變化和溫度的組合。
血壓監控。這是一個非常重要的參數，但大部分系統是基于護腕的，很難集成到可穿戴式連續控系統中。某些技術無需護腕便可測量血壓。有一種技術利用脈搏波傳輸時間 (PTT)，這要求 ECG 測量與 PPG 測量相結合。第二代可穿戴設備內部的傳感器支持此技術。
與老年護理和獨立生活有關。社會對能幫助護理人員遠程監測某些參數的系統有巨大需求。該可穿戴設備支持 95% 的功能需求。系統可監測多項生命體征參數。它不僅能識別人是在移動還是在行走，而且能檢測人是否跌倒。可穿戴設計缺失的一塊是應急按鈕，但這只需將處理器上的一 個I/O 引腳連接到設備上方的一個開關便能實現。
從原型到產品
第二代設備在一個小型可穿戴系統中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設計外，還考慮了許多機械設計方面。這使得該平臺對聚焦于半專業運動市場、醫療市場以及智能建筑、獨立生活、老年護理系統相關企業的設計公司和設備制造商極具吸引力。所有參數可以同時測量，但算法需要助力應用以支持使用場景。測試和驗證算法之前無需構建硬件，開發商和設備制造商可利用此設備快速開始項目。
本文轉載自ADI。
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