【導(dǎo)讀】科技的發(fā)展使得手機(jī)功能越來(lái)越多，各種視頻文件和精美的圖片不斷出現(xiàn)，甚至現(xiàn)在還多了一項(xiàng)私人教練功能。眼下可穿戴設(shè)備佩戴傳感器，能夠隨時(shí)監(jiān)護(hù)使用者的日常活動(dòng)和健康狀況。儼然成為當(dāng)下健康意識(shí)推動(dòng)的典范。
現(xiàn)在，裝有多個(gè)傳感器的通用傳感器前端可以監(jiān)控這些參數(shù)。而更大的挑戰(zhàn)是最大程度地縮小尺寸并延長(zhǎng)電池使用壽命。本文將討論面向迅猛增長(zhǎng)的可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)的解決方案。
最重要的生命體征信號(hào)
脈搏或心率是需要監(jiān)控的最重要的參數(shù)之一。除了每分鐘心跳次數(shù)以外，還應(yīng)該檢查心臟行為與活動(dòng)量的函數(shù)關(guān)系。心律也非常重要，因?yàn)榭焖僮兓男穆适切呐K疾病的征兆。
心率和心臟活動(dòng)的監(jiān)護(hù)通常是使用心電圖(ECG)測(cè)量生理電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。連接到身體上的電極可測(cè)量出心臟組織中心電活動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)。專(zhuān)業(yè)的診斷系統(tǒng)就基于此原理，其在胸部和四肢最多可連接10個(gè)電極。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關(guān)詳細(xì)信息。
單導(dǎo)聯(lián)ECG在體育界的應(yīng)用越來(lái)越普遍，其使用雙電極胸帶來(lái)測(cè)量心臟活動(dòng)。雖然可檢測(cè)到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測(cè)量心率。這些胸帶穿戴起來(lái)并不舒服。因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運(yùn)動(dòng)衫上。AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀前端(如圖1)就是專(zhuān)為此類(lèi)低功耗可穿戴應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。該器件內(nèi)置增益為100V/V的儀表放大器和高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的高頻分量(EMG信號(hào))。此低功耗前端功耗為170μA，可與16位片上計(jì)量?jī)xADuCM350配合使用，進(jìn)行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG測(cè)量。
圖1：AD8232單導(dǎo)聯(lián)ECG前端。
測(cè)量心率的新方法
心率測(cè)量的新趨勢(shì)是光電容積圖(PPG)，這是一種無(wú)需測(cè)量生物電信號(hào)就能獲得心臟功能信息的光學(xué)技術(shù)。PPG主要用于測(cè)量血氧飽和度(SpO2)，但也可不進(jìn)行生物電信號(hào)測(cè)量就提供心臟功能信息。借助PPG技術(shù)，心率監(jiān)護(hù)儀可集成到手表或護(hù)腕等可穿戴設(shè)備上。因?yàn)樯黼妱?shì)法信號(hào)電平極其微弱，所以無(wú)法做到這一點(diǎn)。
在光學(xué)系統(tǒng)中，光通過(guò)皮膚表面發(fā)射。光電傳感器對(duì)紅細(xì)胞吸收的光量進(jìn)行測(cè)量。隨著心臟跳動(dòng)，不斷變化的血容量使接收到的光量分散開(kāi)來(lái)。在手指或耳垂上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于這些部位有相當(dāng)多的動(dòng)脈血，使用紅光或紅外光源可獲得最佳精度。但是，手腕上方很少有動(dòng)脈存在，腕部穿戴式設(shè)備必須通過(guò)皮膚表層下方的靜脈和毛細(xì)血管來(lái)檢測(cè)脈動(dòng)分量，因此綠光效果會(huì)更好。
ADPD142光學(xué)模塊(如圖2)具備完整的光度測(cè)量前端，并集成了光電傳感器、電流源和LED。該器件專(zhuān)為測(cè)量反射光而設(shè)計(jì)，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)PPG測(cè)量，所有元件都封裝在一個(gè)小小的模塊上。
圖2：ADPD142光學(xué)模塊。
使用光學(xué)VSM所面臨的挑戰(zhàn)
利用腕部穿戴式設(shè)備測(cè)量PPG面臨的主要挑戰(zhàn)來(lái)自環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。陽(yáng)光產(chǎn)生的直流誤差相對(duì)而言比較容易消除，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。模擬前端使用兩種結(jié)構(gòu)來(lái)抑制DC至100kHz的干擾信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后，14位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)將該信號(hào)數(shù)字化，再通過(guò)I2C接口發(fā)送到微處理器進(jìn)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。其獨(dú)立的電流源可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單獨(dú)的LED ，電流電平最多可編程至250mA。LED電流是脈沖電流，脈沖長(zhǎng)度在微秒級(jí)，因此可保持較低的平均功耗，從而最大程度地延長(zhǎng)電池使用壽命。
LED驅(qū)動(dòng)電路是動(dòng)態(tài)電路且可即時(shí)配置，因此不受各種環(huán)境條件影響，例如環(huán)境光、穿戴者皮膚和頭發(fā)的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液，這些都會(huì)降低靈敏度。激勵(lì)LED的配置非常方便，可用于構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有時(shí)序和同步均由模擬前端處理，因此不會(huì)增加系統(tǒng)處理器的任何開(kāi)銷(xiāo)。
ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED，用于支持光學(xué)心率監(jiān)護(hù)；ADPD142RI集成紅光LED和紅外LED，用于進(jìn)行血氧飽和度(SpO2)測(cè)量。
運(yùn)動(dòng)的影響
運(yùn)動(dòng)也會(huì)干擾光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)光學(xué)心率監(jiān)護(hù)儀用于睡眠研究時(shí)，這可能不是問(wèn)題，但在鍛煉期間佩戴運(yùn)動(dòng)腕表和護(hù)腕，將會(huì)很難消除運(yùn)動(dòng)偽像。光學(xué)傳感器(LED和光電檢測(cè)器)與皮膚之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)降低光信號(hào)的靈敏度。此外，運(yùn)動(dòng)的頻率分量也可能會(huì)被視為心率測(cè)量，因此必須測(cè)量該運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)備與人體貼得越緊密，這種影響就越小，但采用機(jī)械方式消除這種影響幾乎是不可能的。
可使用多種方法來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)。其中一種是光學(xué)方法，即使用多個(gè)LED波長(zhǎng)。共模信號(hào)表示運(yùn)動(dòng)，而差分信號(hào)用來(lái)檢測(cè)心率。但是，最好是使用真正的運(yùn)動(dòng)傳感器。這不僅可以準(zhǔn)確測(cè)量施加到可穿戴設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，還可用于提供其他功能，例如跟蹤活動(dòng)、計(jì)算步數(shù)或者在檢測(cè)到特定重力時(shí)啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用。
ADXL362是一款微功耗、3軸MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)，非常適合在電池供電型可穿戴應(yīng)用中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。其1 2位ADC可將加速度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，分辨率為1-mg。功耗隨采樣速率動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時(shí)功耗僅為1.8μA，在400Hz時(shí)為3.0μA。這些較高的數(shù)據(jù)速率對(duì)于用戶接口來(lái)說(shuō)非常有用，例如單擊/雙擊檢測(cè)。
圖3：ADXL362電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率呈函數(shù)關(guān)系。
對(duì)于在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用的情況，則無(wú)需進(jìn)行高速采樣，因此可將數(shù)據(jù)速率降至6Hz，此時(shí)平均功耗為300nA。因而，對(duì)于低功耗應(yīng)用和不易更換電池的植入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，此傳感器非常有吸引力。ADXL362采用3.0mm×3.25mm封裝。圖3顯示了在不同的電源電壓的條件下，電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系。
系統(tǒng)中各傳感器的連接
系統(tǒng)的核心是混合信號(hào)片上計(jì)量?jī)xADuCM350，它與所有傳感器相連，并負(fù)責(zé)運(yùn)行必要的軟件，以及儲(chǔ)存、顯示或傳送結(jié)果。該器件集成了高性能模擬前端(AFE)和16MHz ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，如圖4所示。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(yīng)用和可穿戴應(yīng)用的理想選擇。可配置的AFE支持幾乎所有傳感器，其可編程波形發(fā)生器可使用交流或直流信號(hào)為模擬傳感器供電。高性能的接收信號(hào)鏈會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并使用積分非線性(INL)和差分非線性(DNL)最大值為±1LSB的無(wú)丟碼真16位160kSPS ADC將這些信號(hào)數(shù)字化。該接收信號(hào)鏈支持任何類(lèi)型的輸入信號(hào)，包括電壓、電流、恒電勢(shì)、光電流和復(fù)阻抗。
圖4：集成AFE的Cortex-M3。
AFE 可在獨(dú)立模式下工作， 無(wú)需Cortex-M3處理器干預(yù)。可編程時(shí)序控制器控制測(cè)量引擎，測(cè)量結(jié)果通過(guò)DMA儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器內(nèi)。開(kāi)始測(cè)量前，可執(zhí)行校準(zhǔn)程序，以校正發(fā)送和接收信號(hào)鏈中的失調(diào)和漂移誤差。對(duì)于復(fù)阻抗測(cè)量，如血糖、體質(zhì)指數(shù)(BMI)或組織鑒別應(yīng)用，內(nèi)置DSP加速器可實(shí)現(xiàn)2048點(diǎn)單頻離散傅里葉變換，而無(wú)需M3處理器干預(yù)。這些高性能AFE功能使ADuCM350具有其他集成解決方案無(wú)可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
Cortex處理器支持多種通信端口，包括I2S、USB、MIPI和LCD顯示驅(qū)動(dòng)器(靜態(tài))。此外，它還包括閃存、SRAM和EEPROM，并且支持五種不同的電源模式，可最大程度地延長(zhǎng)電池使用壽命。
ADuCM350設(shè)計(jì)用于超低功耗傳感器，性能限制為低速器件。對(duì)于要求更高處理能力的應(yīng)用，可使用工作頻率高達(dá)80MHz的M3內(nèi)核或者Cortex-M4處理器內(nèi)核。
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功耗如何？
功耗一直是便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文介紹的器件針對(duì)高性能、小尺寸和低功耗要求而設(shè)計(jì)，但在小封裝內(nèi)集成所有一切器件(包括電池)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管新的電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了每mm3更高的容量，但與電子產(chǎn)品相比，電池體積仍然較大。
能量采集可減小電池尺寸并延長(zhǎng)電池使用壽命。能量采集技術(shù)有多種，包括熱電、壓電、電磁和光電等技術(shù)—對(duì)于可穿戴設(shè)備，利用光和熱最為合適。傳感器通常不會(huì)產(chǎn)生大量輸出功率，因此每焦耳熱量都應(yīng)當(dāng)可以被捕獲和使用。ADP5090超低功耗升壓調(diào)節(jié)器(如圖5)將采集器和電池橋接起來(lái)。此高效的開(kāi)關(guān)電源可將輸入電壓從低至100mV升高到3V。冷啟動(dòng)期間，在電池完全放電的情況下，需要的最小輸入電壓為380mV，但在正常工作時(shí)，如果電池電量沒(méi)有完全耗盡或者還有一些電能留在超級(jí)電容內(nèi)，任何低至100mV的輸入信號(hào)都可轉(zhuǎn)換為較高的電位并儲(chǔ)存下來(lái)，以供稍后使用。
圖5：ADP5090能量采集器。
該芯片采用微型3mm×3mm封裝，可進(jìn)行編程來(lái)支持各種不同的能量采集傳感器。其最大靜態(tài)電流為250nA，支持幾乎所有電池技術(shù)—從鋰離子電池到薄膜電池以及超級(jí)電容均可。集成式保護(hù)電路可確保安全運(yùn)行。
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