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項目需求

 

●    可穿戴產品尺寸小，要求器件選型封裝小
、集成度高；

●    超低功耗
，可充電電池供電；

●    有連續監測心率功能；

●    有連續監測血氧飽和度功能

；

●    計步功能，能存一個月以上的數據量
，掉電不丟失。

●    心率監測方案

 

心xin率lv監jian測ce可ke基ji於yu心xin電dian信xin號hao檢jian測ce，人ren體ti心xin髒zang的de周zhou期qi性xing跳tiao動dong是shi有you生sheng物wu電dian信xin號hao精jing密mi控kong製zhi的de
，隻zhi要yao能neng夠gou捕bu捉zhuo到dao心xin電dian信xin號hao，就jiu能neng計ji算suan心xin率lv，但dan是shi心xin電dian檢jian測ce需xu要yao獲huo取qu人ren體ti多duo處chu電dian位wei，硬ying件jian實shi現xian複fu雜za
、方案成本高。有一種方案是諧振式檢測方案
，傳感器感gan應ying動dong脈mai搏bo動dong的de壓ya力li變bian化hua，從cong而er統tong計ji出chu心xin率lv。但dan該gai方fang案an的de實shi現xian需xu要yao將jiang設she備bei放fang置zhi於yu人ren體ti脈mai搏bo明ming顯xian的de部bu位wei，對dui於yu可ke穿chuan戴dai設she備bei佩pei戴dai方fang式shi將jiang是shi一yi種zhong挑tiao戰zhan。還hai有you一yi種zhong方fang案an是shi光guang電dian式shi檢jian測ce
，基ji本ben原yuan理li是shi血xue液ye會hui反fan射she紅hong光guang而er吸xi收shou綠lv光guang。心xin髒zang跳tiao動dong時shi，流liu經jing皮pi膚fu的de血xue液ye會hui增zeng加jia，吸xi收shou的de綠lv光guang也ye會hui增zeng加jia
；心跳間隔期，血液在血管中流量減少隨之吸收綠光減少。當設備使用綠色LED
，peiheduiguangmingandeguangdianchuanganqi，jiukeyijiancerenyishijiandianliujingrentipifugechudexueyeliuliang，tongguotongjishuju，yimeicixueliuliangdezuigaodianzuoweiyicizhouqi
，zheyangjiukeyijisuanxinlv。bingqiekeyijiangshebeishejichengshoubiaoxingtai
，fangbiandedaiyushouwanchu。

 

基於光電式的心率監測方案（也稱光電容積脈搏波描記法PPG），硬件上需要有光源驅動、光電轉換、模數轉換數據處理等模塊。一般光源驅動我們選擇恒流源（需要可以微調電流和一定的頻率開關）；光電轉換選擇光電二極管然後用運放進行流壓轉換和信號調理
；最後用A/D芯片實現模擬量的數字轉換並送至MCU進行處理。硬件方案如果采用分立器件
，那麼芯片數量較多，並且空間受限，所以最好還是采用集成器件。ADI公司擁有多功能光電式測量前端芯片（型號：ADPD105），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製性能
，無需光電二極管濾光器；靈活的數字接口SPI
、I2C 可供選擇；功耗低，1.8 V模擬/數字超低工作電源
，待機模式僅0.3μA電流，適合電池供電的設備
；靈活的采樣頻率範圍：0.122 Hz ~3820 Hz；多達3個LED恒流源，每通道峰值電流達370mA；擁有WLCSP芯片級封裝
，極致的小體積適合空間受限應用。其內部功能框圖如圖1。

 

圖1

 

血氧飽和度監測方案

 

光電容積脈搏波描記法（PPG）不僅可以用於心率檢測，通過一定算法處理也可測量血氧，為無創式血氧監測提供了很好的方案。

 

原理：由於氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）這兩種物質對波長600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性。Hb對600 ~ 800nm之間的光吸收係數更高，HbO2對800~1000之間光的吸收係數更高。所以可以利用紅光（600 ~ 800nm）和接近紅外（IR）（800 ~ 1000nm）的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號
，再通過程序處理算出相應的比值
，這樣就得到了血氧值。

 

利用ADPD105其中兩通道LED恒流源分別驅動紅光LED和近紅外LED
，另外一通道恒流源驅動綠光LED用yong於yu心xin率lv檢jian測ce，對dui於yu光guang接jie受shou器qi可ke以yi使shi用yong同tong一yi個ge，分fen時shi複fu用yong
，分fen別bie去qu采cai集ji心xin率lv信xin號hao和he血xue氧yang信xin號hao，在zai最zui少shao的de器qi件jian下xia高gao效xiao完wan成cheng數shu據ju采cai集ji
，綜zong合he成cheng本ben最zui低di。另ling外wai近jin期qi關guan注zhu的deADI新產品ADPD410X，是ADPD係列比較新的產品，它同時擁有8路LED驅動光路和8路的數據采集通道
，更高的集成度和采樣精度
，同時支持PPG，ECG和EDA的測量。它能作為本案的功能拓展方案。

 

計步功能方案

 

jibufanganshiyongzuiduodejiushisanzhoujiasuduchuanganqi，tongguosuanfashibiexingzoushidesanzhoudongtaishuju，jikeshixianjibugongneng。benfanganshijiyukechuandaishebei
，yincixinpiandegonghao、體積成為重要考慮因素。ADXL363是一款超低功耗的3個傳感器組合產品
，由3軸MEMS加速度計
、溫度傳感器和用於同步轉換外部信號的ADC輸入端組成。整個係統輸出數據速率為100 Hz時功耗低於2µA
，在運動觸發喚醒模式下功耗為270 nA
；1.6~3.5V工作電源範圍，便捷的兼容其他器件的電源
；ADXL363還提供針對內部ADC的訪問，可同步轉換外部的模擬輸入。緊湊型的LGA封裝非常符合可穿戴式設備應用。其內部功能框圖如圖2。

 

圖2

 

MCU選型

 

本方案MCU選型需要兼顧高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029擁有超低功耗特性：活動模式（完全開啟模式）：< 30μA/MHz（典型值）
，休眠模式（帶SRAM保留）：<750nA（典型值），關斷模式（可選RTC活動）：<60nA（典型值）；集成MPU的ARM® Cortex®-M3處理器
，高性能內核處理算法遊刃有餘；集成ECC的256 KB嵌入式閃存

，方便存儲離線數據
；較低的電壓供電（1.74V至3.6V）可以允許使用紐扣電池；片內外設SPI、UART
、IIC
、Timer、DAC、DMA、Watchdog應有盡有，方便使用；內置32kHz振蕩器和26MHz高頻振蕩器

，也支持外部時鍾源；擁有兩種緊湊型WLCSP/LFCSP可供選擇

，適用於體積空間受限的應用。

 

另外可利用高性能的ADuCM4050作為高端升級版本的選擇，它擁有更好的性能和更低功耗在休眠和關斷模式下，在：活動模式（完全開啟模式）：< 41μA/MHz（典型值），休眠模式（帶SRAM保留）：<650nA（典型值），關斷模式（可選RTC活動）：<50nA（典型值）；ARM Cortex-M4F處理器
，52 MHz，並帶FPU, MPU, ITM, SWD接口
，兼容性更強，EEC的升級至512KB，方便存儲更多的離線數據；

 

電源方案

 

可穿戴式設備需要可充電電源，一般選用鋰電池，因此需要鋰電池管理芯片。LTC4065L是一款用於單節鋰電池的完整恒流/恒壓線性充電器
，由於外形尺寸小（DFN封裝2mm*2mm）
，能夠準確地調節低充電電流，因而非常適用於低容量鋰電池；而且可以通過USB標準取電工作；還有強大的充電異常保護功能：自動再充電、低電池電量充電調節（涓流充電）
、軟器動功能（用於限值湧入電流）。

 

方案中MCU
、加速度傳感器、模擬前端芯片都可以工作在1.8V範圍，對於鋰電池的3.7V還需要LDO用於降壓。由於有模擬電路，故需選擇盡量低噪聲的LDO。LT 3042擁有超低噪聲0.8µVRMS(10 Hz~100 kHz)，超高電源抑製比（最低79 dB @1MHz）；超低的工作壓降（350mV）
；輸出可調（0~15V）
；緊湊型DFN封裝（3mm*3mm）。

 

 

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