今天我們將圍繞 ADI 最新可穿戴 VSM 平台和所有的傳感器技術來討論
，該平台如圖 1所示。此平台旨在提供一個參考，幫助電子設計人員和係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

 

測量什麼？如何測量及在哪裏測量？

 

通tong過guo可ke穿chuan戴dai設she備bei可ke測ce量liang各ge類lei重zhong要yao身shen體ti參can數shu。根gen據ju總zong體ti目mu標biao
，測ce量liang某mou些xie參can數shu比bi測ce量liang其qi他ta參can數shu會hui更geng重zhong要yao。可ke穿chuan戴dai設she備bei在zai身shen體ti上shang的de位wei置zhi在zai很hen大da程cheng度du上shang決jue定ding了le哪na些xie參can數shu可ke以yi測ce量liang，哪na些xie不bu能neng測ce量liang。

 

最明顯的位置是手腕。我們已習慣於在手腕上戴個物件，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shen體ti上shang適shi合he可ke穿chuan戴dai設she備bei的de第di三san個ge位wei置zhi是shi胸xiong部bu。第di一yi代dai心xin率lv監jian護hu儀yi就jiu是shi設she計ji在zai胸xiong帶dai上shang
，這zhe種zhong生sheng物wu電dian位wei測ce量liang方fang法fa至zhi今jin仍reng是shi非fei常chang精jing確que的de技ji術shu。不bu過guo
，現xian在zai傾qing向xiang於yu使shi用yong胸xiong貼tie，因yin為wei胸xiong帶dai穿chuan戴dai起qi來lai不bu是shi很hen舒shu服fu。已yi有you多duo家jia製zhi造zao商shang設she計ji智zhi能neng胸xiong貼tie以yi監jian測ce重zhong要yao身shen體ti參can數shu。

 

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(zhen)對(dui)心(xin)率(lv)測(ce)量(liang)
，生(sheng)物(wu)電(dian)位(wei)測(ce)量(liang)是(shi)最(zui)古(gu)老(lao)的(de)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)。其(qi)信(xin)號(hao)很(hen)強(qiang)，利(li)用(yong)兩(liang)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)電(dian)極(ji)便(bian)可(ke)從(cong)身(shen)體(ti)中(zhong)輕(qing)鬆(song)獲(huo)取(qu)。針(zhen)對(dui)此(ci)方(fang)法(fa)，將(jiang)電(dian)路(lu)集(ji)成(cheng)在(zai)胸(xiong)帶(dai)或(huo)耳(er)機(ji)中(zhong)再(zai)好(hao)不(bu)過(guo)。然(ran)而(er)，在(zai)腕(wan)部(bu)等(deng)單(dan)一(yi)點(dian)處(chu)測(ce)量(liang)生(sheng)物(wu)電(dian)位(wei)信(xin)號(hao)幾(ji)乎(hu)不(bu)可(ke)能(neng)。必(bi)須(xu)在(zai)產(chan)生(sheng)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)心(xin)髒(zang)周(zhou)圍(wei)測(ce)量(liang)。

 

針zhen對dui單dan點dian測ce量liang

，光guang技ji術shu更geng合he適shi。將jiang光guang線xian射she入ru組zu織zhi中zhong
，捕bu捉zhuo並bing測ce量liang動dong脈mai中zhong血xue流liu對dui光guang線xian的de反fan射she信xin號hao。從cong接jie收shou到dao的de光guang信xin號hao可ke獲huo知zhi逐zhu搏bo心xin跳tiao信xin息xi。該gai技ji術shu看kan似si相xiang當dang直zhi截jie了le當dang
，但dan事shi實shi上shang存cun在zai多duo項xiang挑tiao戰zhan和he影ying響xiang因yin素su會hui使shi設she計ji變bian得de困kun難nan，比bi如ru運yun動dong和he環huan境jing光guang線xian。

 

ADI 第(di)二(er)代(dai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)參(can)考(kao)平(ping)台(tai)集(ji)成(cheng)了(le)上(shang)述(shu)大(da)部(bu)分(fen)技(ji)術(shu)。該(gai)設(she)備(bei)設(she)計(ji)戴(dai)在(zai)手(shou)腕(wan)上(shang)，但(dan)您(nin)也(ye)可(ke)以(yi)去(qu)除(chu)軟(ruan)帶(dai)，將(jiang)設(she)備(bei)貼(tie)在(zai)胸(xiong)上(shang)，用(yong)作(zuo)智(zhi)能(neng)胸(xiong)貼(tie)。該(gai)設(she)備(bei)包(bao)含(han)支(zhi)持(chi)生(sheng)物(wu)電(dian)位(wei)測(ce)量(liang)
、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 為什麼設計該係統
？

 

此類係統的目標是能夠評估各種檢測技術並輕鬆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。由於測量是同時進行，因此它也有助於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）的光學係統圍繞 ADI 第二代光學模擬前端 ADPD107 而構建。ADPD 係列的功能框圖如圖2所示。

 

圖2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框圖

 

ADPD107 用作完整收發器，驅動係統中的 LED 並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。第二級負責抑製環境光。環境光幹擾是一個大問題，尤其是當調製光時

，比如使用 LED 或(huo)節(jie)能(neng)燈(deng)的(de)固(gu)態(tai)照(zhao)明(ming)係(xi)統(tong)。環(huan)境(jing)光(guang)抑(yi)製(zhi)模(mo)塊(kuai)含(han)有(you)一(yi)個(ge)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)，其(qi)後(hou)是(shi)一(yi)個(ge)積(ji)分(fen)器(qi)

，用(yong)以(yi)支(zhi)持(chi)同(tong)步(bu)解(jie)調(tiao)。這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)功(gong)能(neng)，能(neng)夠(gou)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)外(wai)部(bu)光(guang)幹(gan)擾(rao)。當(dang)因(yin)為(wei)某(mou)種(zhong)原(yuan)因(yin)而(er)不(bu)需(xu)要(yao)環(huan)境(jing)光(guang)抑(yi)製(zhi)級(ji)時(shi)，可(ke)以(yi)徹(che)底(di)旁(pang)路(lu)此(ci)模(mo)塊(kuai)。

 

光學係統運用光脈衝。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。脈衝寬度也是可編程的，可以窄至1 μs。但為了獲得良好的信號響應，脈衝寬度應在 2 μs到 3 μs左右。通常會提供一係列 LED 脈衝，同時模數轉換器對與LED 發射脈衝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。

 

除光學係統外
，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，並且放寬了機械約束
，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。對於在光學係統設計方麵沒有太多經驗的設計者，集成完整光學模塊可能更容易。

 

關於光電二極管的數量、大小及 LED 波長選擇
，存在一些不同的考慮。最新模塊的開發基於以下考慮：即使安裝在塑料窗口後麵，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製內部光汙染（可視為光串擾）。分離窗口有助於降低直接來自 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。最新係列（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。

 

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，設計用於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、便攜式家庭護理係統和訓練裝備。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，後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製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於使用場景。僅需要QRS檢測的普通心率監護儀，其工作頻率範圍遠小於需要更多信息（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 AD7689SAR ADC 數字化。用戶可以根據精度或電池壽命進行權衡。

 

設備背麵有兩個電極
，這些電極具有雙重功能。除ECG測量外，其還可用於皮膚電活動 (EDA) 測量。

 

EDA 或皮膚電反應 (GSR) 與(yu)皮(pi)膚(fu)電(dian)導(dao)率(lv)有(you)關(guan)
，而(er)內(nei)部(bu)或(huo)外(wai)部(bu)刺(ci)激(ji)引(yin)起(qi)的(de)情(qing)緒(xu)變(bian)化(hua)會(hui)暫(zan)時(shi)改(gai)變(bian)皮(pi)膚(fu)電(dian)導(dao)率(lv)

，例(li)如(ru)壓(ya)力(li)或(huo)癲(dian)癇(xian)會(hui)導(dao)致(zhi)皮(pi)膚(fu)阻(zu)抗(kang)改(gai)變(bian)。第(di)二(er)代(dai)設(she)備(bei)能(neng)夠(gou)檢(jian)測(ce)這(zhe)種(zhong)微(wei)小(xiao)的(de)電(dian)導(dao)率(lv)變(bian)化(hua)。係(xi)統(tong)利(li)用(yong)交(jiao)流(liu)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)，其(qi)施(shi)加(jia)於(yu)兩(liang)個(ge)幹(gan)電(dian)極(ji)上(shang)。也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)濕(shi)電(dian)極(ji)，效(xiao)果(guo)會(hui)更(geng)好(hao)。不(bu)過(guo)，該(gai)設(she)備(bei)僅(jin)利(li)用(yong)兩(liang)個(ge)嵌(qian)入(ru)式(shi)不(bu)鏽(xiu)鋼(gang)幹(gan)電(dian)極(ji)。使(shi)用(yong)交(jiao)流(liu)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)勢(shi)是(shi)它(ta)不(bu)會(hui)使(shi)電(dian)極(ji)極(ji)化(hua)。接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)鏈(lian)代(dai)表(biao)一(yi)個(ge)跨(kua)阻(zu)放(fang)大(da)器(qi)，後(hou)接(jie) AD7689 16 位 SAR 型ADC。出於性能原因，ADC 采樣速率遠高於激勵速率。ADC 輸出之後是一個運行在 ADuCM3029 處理器上的離散傅裏葉變換 (DFT)引擎，用以表示複阻抗。上述測量原理能以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導率
，並且非常好地抑製 50 Hz/60 Hz 環境信號。電路基於此測量原理而構建，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ru果guo僅jin測ce量liang生sheng命ming體ti征zheng參can數shu而er不bu了le解jie測ce量liang時shi身shen體ti處chu於yu何he種zhong狀zhuang態tai，那na麼me可ke穿chuan戴dai設she備bei是shi無wu價jia值zhi的de。因yin此ci


，運yun動dong檢jian測ce和he剖pou析xi很hen重zhong要yao。像xiang光guang學xue心xin率lv監jian測ce之zhi類lei的de使shi用yong場chang景jing對dui運yun動dong非fei常chang敏min感gan，運yun動dong可ke能neng完wan全quan破po壞huai測ce量liang精jing度du。有you鑒jian於yu此ci，運yun動dong也ye需xu要yao加jia以yi追zhui蹤zong以yi補bu償chang偽wei像xiang。運yun動dong傳chuan感gan器qi有you助zhu於yu追zhui蹤zong運yun動dong，如ru果guo需xu要yao，可ke以yi在zai最zui終zhong讀du數shu結jie果guo中zhong補bu償chang運yun動dong。ADXL362 是目前功耗最低的運動傳感器。它有一個 3 軸MEMS傳感器並集成 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 400Hz 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係曲線。

 

圖4. ADXL362功耗與輸出數據速率的關係

 

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
，傳感器便喚醒並測量運動。若無運動，它將徑直回到睡眠狀態，再睡眠 150 ms。當 g 力li等deng於yu或huo高gao於yu設she定ding的de閾yu值zhi水shui平ping且qie至zhi少shao持chi續xu設she定ding的de最zui短duan時shi間jian時shi，說shuo明ming檢jian測ce到dao運yun動dong，傳chuan感gan器qi隨sui即ji產chan生sheng中zhong斷duan或huo使shi能neng電dian源yuan開kai關guan以yi開kai啟qi應ying用yong。在zai此ci模mo式shi下xia
，傳chuan感gan器qi功gong耗hao僅jin 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幹模塊以減少冗餘性，並節省更多功耗。

 

ADuCM3029——集大成者

 

第二代設備運用兩個處理器。並不是非要不可
，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 以收集傳感器數據並運行算法。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，全麵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係統非常有吸引力。其中還嵌入了多項安全特性以保護代碼
，並有一個硬件加速器用於加密功能。

 

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/卡路裏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於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xue壓ya監jian控kong。這zhe是shi一yi個ge非fei常chang重zhong要yao的de參can數shu
，但dan大da部bu分fen係xi統tong是shi基ji於yu護hu腕wan的de，很hen難nan集ji成cheng到dao可ke穿chuan戴dai式shi連lian續xu控kong係xi統tong中zhong。某mou些xie技ji術shu無wu需xu護hu腕wan便bian可ke測ce量liang血xue壓ya。有you一yi種zhong技ji術shu利li用yong脈mai搏bo波bo傳chuan輸shu時shi間jian (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係統有巨大需求。該可穿戴設備支持 95% 的de功gong能neng需xu求qiu。係xi統tong可ke監jian測ce多duo項xiang生sheng命ming體ti征zheng參can數shu。它ta不bu僅jin能neng識shi別bie人ren是shi在zai移yi動dong還hai是shi在zai行xing走zou

，而er且qie能neng檢jian測ce人ren是shi否fou跌die倒dao。可ke穿chuan戴dai設she計ji缺que失shi的de一yi塊kuai是shi應ying急ji按an鈕niu
，但dan這zhe隻zhi需xu將jiang處chu理li器qi上shang的de一yi 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di二er代dai設she備bei在zai一yi個ge小xiao型xing可ke穿chuan戴dai係xi統tong中zhong嵌qian入ru了le許xu多duo高gao性xing能neng傳chuan感gan器qi和he特te性xing。除chu電dian子zi設she計ji外wai，還hai考kao慮lv了le許xu多duo機ji械xie設she計ji方fang麵mian。這zhe使shi得de該gai平ping台tai對dui聚ju焦jiao於yu半ban專zhuan業ye運yun動dong市shi場chang、醫療市場以及智能建築、獨立生活、laonianhulixitongxiangguanqiyedeshejigongsiheshebeizhizaoshangjijuxiyinli。suoyoucanshukeyitongshiceliang，dansuanfaxuyaozhuliyingyongyizhichishiyongchangjing。ceshiheyanzhengsuanfazhiqianwuxugoujianyingjian，kaifashangheshebeizhizaoshangkeliyongcishebeikuaisukaishixiangmu。

 

 

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