本次我們通過技術型分銷商Exclpointshijianyaoqinglelaizizhuanyeyiliaozhinengchuandaishebeilingyuqiyedegongchengshifenggonggendajiafenxiangshizhananli。gaigongsishishijianduoniandekehu，zhuyaocongshiyixuezhenduanchanpinyanfa
、生產、銷售及服務。而馮工有著深厚的學術和實戰經驗。

 

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，配pei合he對dui光guang敏min感gan的de光guang電dian傳chuan感gan器qi，就jiu可ke以yi檢jian測ce任ren意yi時shi間jian點dian流liu經jing人ren體ti皮pi膚fu各ge處chu的de血xue液ye流liu量liang，通tong過guo統tong計ji數shu據ju
，以yi每mei次ci血xue流liu量liang的de最zui高gao點dian作zuo為wei一yi次ci周zhou期qi，這zhe樣yang就jiu可ke以yi計ji算suan心xin率lv。並bing且qie可ke以yi將jiang設she備bei設she計ji成cheng手shou表biao形xing態tai
，方fang便bian的de戴dai於yu手shou腕wan處chu。

 

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LEDyongyuxinlvjiance，duiyuguangjieshouqikeyishiyongtongyige，fenshifuyong
，fenbiequcaijixinlvxinhaohexueyangxinhao，zaizuishaodeqijianxiagaoxiaowanchengshujucaiji，zonghechengbenzuidi。lingwaijinqiguanzhudeADI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

 

計ji步bu方fang案an使shi用yong最zui多duo的de就jiu是shi三san軸zhou加jia速su度du傳chuan感gan器qi，通tong過guo算suan法fa識shi別bie行xing走zou時shi的de三san軸zhou動dong態tai數shu據ju
，即ji可ke實shi現xian計ji步bu功gong能neng。本ben方fang案an是shi基ji於yu可ke穿chuan戴dai設she備bei，因yin此ci芯xin片pian的de功gong耗hao、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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