【導讀】renkouzhengzailaohua，yuelaiyueduoderenxuyaojiankangzhichi
，zhegeiyiliaobaojianzhengtizhichudailaijudayingxiang。youjianyuci
，zhengfubumenhejiankangbaoxianqiyeyulaiyuqiangtiaoyufang、健(jian)康(kang)意(yi)識(shi)和(he)生(sheng)活(huo)方(fang)式(shi)。這(zhe)不(bu)隻(zhi)是(shi)關(guan)於(yu)實(shi)行(xing)更(geng)多(duo)或(huo)更(geng)好(hao)的(de)營(ying)養(yang)攝(she)入(ru)計(ji)劃(hua)
，而(er)是(shi)在(zai)一(yi)般(ban)意(yi)義(yi)上(shang)更(geng)關(guan)注(zhu)監(jian)測(ce)某(mou)些(xie)重(zhong)要(yao)身(shen)體(ti)參(can)數(shu)。正(zheng)因(yin)如(ru)此(ci)，從(cong)事(shi)智(zhi)能(neng)和(he)健(jian)康(kang)手(shou)表(biao)業(ye)務(wu)的(de)公(gong)司(si)近(jin)年(nian)來(lai)營(ying)收(shou)明(ming)顯(xian)增(zeng)長(chang)。

renkouzhengzailaohua，yuelaiyueduoderenxuyaojiankangzhichi，zhegeiyiliaobaojianzhengtizhichudailaijudayingxiang。youjianyuci
，zhengfubumenhejiankangbaoxianqiyeyulaiyuqiangtiaoyufang、健(jian)康(kang)意(yi)識(shi)和(he)生(sheng)活(huo)方(fang)式(shi)。這(zhe)不(bu)隻(zhi)是(shi)關(guan)於(yu)實(shi)行(xing)更(geng)多(duo)或(huo)更(geng)好(hao)的(de)營(ying)養(yang)攝(she)入(ru)計(ji)劃(hua)，而(er)是(shi)在(zai)一(yi)般(ban)意(yi)義(yi)上(shang)更(geng)關(guan)注(zhu)監(jian)測(ce)某(mou)些(xie)重(zhong)要(yao)身(shen)體(ti)參(can)數(shu)。正(zheng)因(yin)如(ru)此(ci)
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maiyikuaijiankangshoubiaobingjianceshenticanshu
，bingbuyiweizheninshenghuodegengjiankang。guanjianzaiyutongguojiaochangshijianjiancemouxieshenticanshulaishuxizhexieshuzhibingjiayiliyong，jinertiaozhengzijimeitiandeshenghuoyihuodegaishan。zhegeguochengkebangzhuninlejieshentiruhegongzuo，yijiruhejiangdichangqijiankangchengben。

本文介紹ADI公司最新可穿戴VSM平台和所用的傳感器技術（可穿戴設備如圖1所示）。ADI公司不是最終產品製造商。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新型
、更智能、更精確的可穿戴設備。

圖1. ADI公司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zui明ming顯xian的de位wei置zhi是shi手shou腕wan。我wo們men已yi習xi慣guan於yu在zai手shou腕wan上shang戴dai個ge物wu件jian
，所suo以yi市shi場chang上shang有you很hen多duo智zhi能neng手shou表biao和he腕wan戴dai設she備bei之zhi類lei的de產chan品pin。除chu在zai手shou腕wan上shang進jin行xing測ce量liang以yi外wai，頭tou部bu也ye是shi佩pei戴dai可ke穿chuan戴dai設she備bei的de好hao地di方fang。例li如ru
，各ge式shi各ge樣yang的de頭tou戴dai式shi耳er機ji和he耳er塞sai中zhong含han有you嵌qian入ru式shi傳chuan感gan器qi
，用yong來lai測ce量liang心xin率lv
、氧飽和度、wendudengcanshu。shentishangshihekechuandaishebeidedisangeweizhishixiongbu。diyidaixinlvjianhuyijiushishejizaixiongdaishang，zhezhongshengwudianweiceliangfangfazhijinrengshifeichangjingquedejishu。buguo，xianzaiqingxiangyushiyongxiongtie，yinweixiongdaichuandaiqilaibushihenshufu。yiyouduojiazhizaoshangshejizhinengxiongtieyijiancezhongyaoshenticanshu。

genjushentiweizhi
，womenbujinyaoxuanzenaxiecanshukeyiceliang
，haiyaoxuanzeshiyonghezhongjishu。liruzhenduixinlvceliang
，shengwudianweiceliangshizuigulaodejishuzhiyi。qixinhaohenqiang，liyonglianggehuogengduodianjibiankecongshentizhongqingsonghuoqu。zhenduicifangfa，jiangdianlujichengzaixiongdaihuoerjizhongzaihaobuguo。raner，zaiwanbudengdanyidianchuceliangshengwudianweixinhaojihubukeneng。bixuzaichanshengdianxinhaodexinzangzhouweiceliang。zhenduidandianceliang，guangjishugengheshi。jiangguangxiansheruzuzhizhong
，buzhuobingceliangdongmaizhongxueliuduiguangxiandefanshexinhao。congjieshoudaodeguangxinhaokehuozhizhuboxintiaoxinxi。gaijishukansixiangdangzhijieledang，danshishishangcunzaiduoxiangtiaozhanheyingxiangyinsuhuishishejibiandekunnan，biruyundonghehuanjingguangxian。

ADI公(gong)司(si)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。

隱含用意

ADIgongsiweishenmeshejiyigeleisidierdaikechuandaishebeidexitong？cileixitongdemubiaoshinenggoupinggugezhongjiancejishubingqingsongceliangshentideduogezhongyaocanshu。celiangjieguokecunchuzaishancunzhong，huotongguoBLE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。

傳感器成就該設備

該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公司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公司第二代單導聯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)yupifudiandaolvyouguan，erneibuhuowaibucijiyinqideqingxubianhuahuizanshigaibianpifudiandaolv，liruyalihuodianxianhuidaozhipifuzukanggaibian。dierdaishebeinenggoujiancezhezhongweixiaodediandaolvbianhua。xitongliyongjiaoliujilixinhao，qishijiayulianggegandianjishang。yekeyishiyongshidianji，xiaoguohuigenghao。buguo，gaishebeijinliyonglianggeqianrushibuxiuganggandianji。shiyongjiaoliujilixinhaodezhuyaoyoushishitabuhuishidianjijihua。jieshouxinhaoliandaibiaoyigekuazufangdaqi，houjieAD7689 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 公司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 lidengyuhuogaoyushedingdeyuzhishuipingqiezhishaochixushedingdezuiduanshijianshi
，shuomingjiancedaoyundong
，chuanganqisuijichanshengzhongduanhuoshinengdianyuankaiguanyikaiqiyingyong。zaicimoshixia，chuanganqigonghaojin300 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公司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。

該設備可用來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。

另ling一yi個ge有you意yi義yi的de使shi用yong情qing形xing是shi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監jian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。

最後一個重要市場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%degongnengxuqiu。xitongkejianceduoxiangshengmingtizhengcanshu。tabujinnengshibierenshizaiyidonghaishizaixingzou
，erqienengjiancerenshifoudiedao。kechuandaishejiqueshideyikuaishiyingjianniu，danzhezhixujiangchuliqishangdeyigeI/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

dierdaishebeizaiyigexiaoxingkechuandaixitongzhongqianrulexuduogaoxingnengchuanganqihetexing。chudianzishejiwai
，haikaolvlexuduojixieshejifangmian。zheshidegaipingtaiduijujiaoyubanzhuanyeyundongshichang
、醫療市場以及智能建築
、獨立生活
、老(lao)年(nian)護(hu)理(li)係(xi)統(tong)相(xiang)關(guan)企(qi)業(ye)的(de)設(she)計(ji)公(gong)司(si)和(he)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)極(ji)具(ju)吸(xi)引(yin)力(li)。所(suo)有(you)參(can)數(shu)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)測(ce)量(liang)
，但(dan)算(suan)法(fa)需(xu)要(yao)助(zhu)力(li)應(ying)用(yong)以(yi)支(zhi)持(chi)使(shi)用(yong)場(chang)景(jing)。測(ce)試(shi)和(he)驗(yan)證(zheng)算(suan)法(fa)之(zhi)前(qian)無(wu)需(xu)構(gou)建(jian)硬(ying)件(jian)，開(kai)發(fa)商(shang)和(he)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)可(ke)利(li)用(yong)此(ci)設(she)備(bei)快(kuai)速(su)開(kai)始(shi)項(xiang)目(mu)。第(di)二(er)代(dai)設(she)備(bei)供(gong)貨(huo)數(shu)量(liang)有(you)限(xian)
，ADI公司非常有興趣與設計公司和算法提供商合作，開發可出售給專業看護和醫療保險公司的先進係統。

詳見
3.第二代可穿戴設備背後的傳感器.pdf

（來源：中電網，作者：Jan-Hein Broeders）

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