xianzai，zhuangyouduogechuanganqidetongyongchuanganqiqianduankeyijiankongzhexiecanshu。ergengdadetiaozhanshizuidachengdudisuoxiaochicunbingyanchangdianchishiyongshouming。benwenjiangtaolunmianxiangxunmengzengchangdekechuandaidianzichanpinshichangdejiejuefangan。
最重要的生命體征信號

maibohuoxinlvshixuyaojiankongdezuizhongyaodecanshuzhiyi。chulemeifenzhongxintiaocishuyiwai，haiyinggaijianzhaxinzangxingweiyuhuodongliangdehanshuguanxi。xinlvyefeichangzhongyao，yinweikuaisubianhuadexinlvshixinzangjibingdezhengzhao。

心率和心髒活動的監護通常是使用心電圖(ECG)測(ce)量(liang)生(sheng)理(li)電(dian)信(xin)號(hao)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。連(lian)接(jie)到(dao)身(shen)體(ti)上(shang)的(de)電(dian)極(ji)可(ke)測(ce)量(liang)出(chu)心(xin)髒(zang)組(zu)織(zhi)中(zhong)心(xin)電(dian)活(huo)動(dong)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)信(xin)號(hao)。專(zhuan)業(ye)的(de)診(zhen)斷(duan)係(xi)統(tong)就(jiu)基(ji)於(yu)此(ci)原(yuan)理(li)，其(qi)在(zai)胸(xiong)部(bu)和(he)四(si)肢(zhi)最(zui)多(duo)可(ke)連(lian)接(jie)10個電極。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關詳細信息。

單導聯ECG在體育界的應用越來越普遍
，其使用雙電極胸帶來測量心髒活動。雖然可檢測到各種ECGboxing
，dandaduoshuxitongzhiceliangxinlv。zhexiexiongdaichuandaiqilaibingbushufu。yinci
，tiyuhebaojianxingyezhengzaixunzhaotidaifangan，lirujiangdianjijichengdaoyundongshanshang。AD8232單導聯心率監護儀前端(如圖1)就是專為此類低功耗可穿戴應用而開發的。該器件內置增益為100V/Vdeyibiaofangdaqihegaotonglvboqi
，nengzuzhipifushangdianjidebandianchidianweichanshengdeshitiaodianya。shuchuhuanchongqiheditonglvboqizekeyizhijirouhuodongchanshengdegaopinfenliang(EMG信號)。此低功耗前端功耗為170μA

，可與16位片上計量儀ADuCM350配合使用，進行高性能、單導聯ECG測量。


測量心率的新方法

心率測量的新趨勢是光電容積圖(PPG)，這是一種無需測量生物電信號就能獲得心髒功能信息的光學技術。PPG主要用於測量血氧飽和度(SpO2)
，但也可不進行生物電信號測量就提供心髒功能信息。借助PPG技術，心率監護儀可集成到手表或護腕等可穿戴設備上。因為生理電勢法信號電平極其微弱
，所以無法做到這一點。

在(zai)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)中(zhong)
，光(guang)通(tong)過(guo)皮(pi)膚(fu)表(biao)麵(mian)發(fa)射(she)。光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)紅(hong)細(xi)胞(bao)吸(xi)收(shou)的(de)光(guang)量(liang)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。隨(sui)著(zhe)心(xin)髒(zang)跳(tiao)動(dong)，不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)血(xue)容(rong)量(liang)使(shi)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)光(guang)量(liang)分(fen)散(san)開(kai)來(lai)。在(zai)手(shou)指(zhi)或(huo)耳(er)垂(chui)上(shang)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)時(shi)，由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)部(bu)位(wei)有(you)相(xiang)當(dang)多(duo)的(de)動(dong)脈(mai)血(xue)，使(shi)用(yong)紅(hong)光(guang)或(huo)紅(hong)外(wai)光(guang)源(yuan)可(ke)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)精(jing)度(du)。但(dan)是(shi)
，手(shou)腕(wan)上(shang)方(fang)很(hen)少(shao)有(you)動(dong)脈(mai)存(cun)在(zai)，腕(wan)部(bu)穿(chuan)戴(dai)式(shi)設(she)備(bei)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)皮(pi)膚(fu)表(biao)層(ceng)下(xia)方(fang)的(de)靜(jing)脈(mai)和(he)毛(mao)細(xi)血(xue)管(guan)來(lai)檢(jian)測(ce)脈(mai)動(dong)分(fen)量(liang)，因(yin)此(ci)綠(lv)光(guang)效(xiao)果(guo)會(hui)更(geng)好(hao)。

ADPD142光學模塊(如圖2)具備完整的光度測量前端，並集成了光電傳感器、電流源和LED。該器件專為測量反射光而設計
，可用來實現PPG測量，所有元件都封裝在一個小小的模塊上。

[page]  
使用光學VSM所麵臨的挑戰

利用腕部穿戴式設備測量PPG麵(mian)臨(lin)的(de)主(zhu)要(yao)挑(tiao)戰(zhan)來(lai)自(zi)環(huan)境(jing)光(guang)和(he)運(yun)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)。陽(yang)光(guang)產(chan)生(sheng)的(de)直(zhi)流(liu)誤(wu)差(cha)相(xiang)對(dui)而(er)言(yan)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)消(xiao)除(chu)，但(dan)日(ri)光(guang)燈(deng)和(he)節(jie)能(neng)燈(deng)發(fa)出(chu)的(de)光(guang)線(xian)都(dou)帶(dai)有(you)可(ke)引(yin)起(qi)交(jiao)流(liu)誤(wu)差(cha)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)量(liang)。模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)使(shi)用(yong)兩(liang)種(zhong)結(jie)構(gou)來(lai)抑(yi)製(zhi)DC至100kHz的幹擾信號。模擬信號經過調理後
，14位逐次逼近型數模轉換器(ADC)將該信號數字化，再通過I2C接口發送到微處理器進行最終後處理。
同步發送路徑與光接收器並行集成在一起。其獨立的電流源可驅動兩個單獨的LED ，電流電平最多可編程至250mA。LED電流是脈衝電流，脈衝長度在微秒級
，因此可保持較低的平均功耗
，從而最大程度地延長電池使用壽命。

LED驅動電路是動態電路且可即時配置，因此不受各種環境條件影響

，例如環境光
、穿戴者皮膚和頭發的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液
，這些都會降低靈敏度。激勵LED的配置非常方便
，可用於構建自適應係統。所有時序和同步均由模擬前端處理，因此不會增加係統處理器的任何開銷。

ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED
，用於支持光學心率監護；ADPD142RI集成紅光LED和紅外LED，用於進行血氧飽和度(SpO2)測量。

運動的影響

yundongyehuiganraoguangxuexitong。dangguangxuexinlvjianhuyiyongyushuimianyanjiushi，zhekenengbushiwenti
，danzaiduanlianqijianpeidaiyundongwanbiaohehuwan，jianghuihennanxiaochuyundongweixiang。guangxuechuanganqi(LED和光電檢測器)與yu皮pi膚fu之zhi間jian的de相xiang對dui運yun動dong會hui降jiang低di光guang信xin號hao的de靈ling敏min度du。此ci外wai，運yun動dong的de頻pin率lv分fen量liang也ye可ke能neng會hui被bei視shi為wei心xin率lv測ce量liang，因yin此ci必bi須xu測ce量liang該gai運yun動dong並bing進jin行xing補bu償chang。設she備bei與yu人ren體ti貼tie得de越yue緊jin密mi，這zhe種zhong影ying響xiang就jiu越yue小xiao
，但dan采cai用yong機ji械xie方fang式shi消xiao除chu這zhe種zhong影ying響xiang幾ji乎hu是shi不bu可ke能neng的de。

可使用多種方法來測量運動。其中一種是光學方法，即使用多個LED波bo長chang。共gong模mo信xin號hao表biao示shi運yun動dong

，而er差cha分fen信xin號hao用yong來lai檢jian測ce心xin率lv。但dan是shi，最zui好hao是shi使shi用yong真zhen正zheng的de運yun動dong傳chuan感gan器qi。這zhe不bu僅jin可ke以yi準zhun確que測ce量liang施shi加jia到dao可ke穿chuan戴dai設she備bei的de運yun動dong，還hai可ke用yong於yu提ti供gong其qi他ta功gong能neng

，例li如ru跟gen蹤zong活huo動dong、計算步數或者在檢測到特定重力時啟動某個應用。

ADXL362是一款微功耗
、3軸MEMS(微機電係統)加速度計
，非常適合在電池供電型可穿戴應用中檢測運動。其1 2位ADC可將加速度轉換為數字信號，分辨率為1-mg。功耗隨采樣速率動態變化，當輸出數據速率為100Hz時功耗僅為1.8μA
，在400Hz時為3.0μA。這些較高的數據速率對於用戶接口來說非常有用，例如單擊/雙擊檢測。


對於在檢測到運動時啟動某個應用的情況，則無需進行高速采樣，因此可將數據速率降至6Hz
，此時平均功耗為300nA。因而，對於低功耗應用和不易更換電池的植入式設備來說
，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
，電源電流與輸出數據速率之間的關係。

係統中各傳感器的連接

係統的核心是混合信號片上計量儀ADuCM350，它與所有傳感器相連，並負責運行必要的軟件，以及儲存、顯示或傳送結果。該器件集成了高性能模擬前端(AFE)和16MHz ARM Cortex-M3處理器內核，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用和可穿戴應用的理想選擇。可配置的AFE支zhi持chi幾ji乎hu所suo有you傳chuan感gan器qi，其qi可ke編bian程cheng波bo形xing發fa生sheng器qi可ke使shi用yong交jiao流liu或huo直zhi流liu信xin號hao為wei模mo擬ni傳chuan感gan器qi供gong電dian。高gao性xing能neng的de接jie收shou信xin號hao鏈lian會hui對dui傳chuan感gan器qi信xin號hao進jin行xing調tiao理li，並bing使shi用yong積ji分fen非fei線xian性xing(INL)和差分非線性(DNL)最大值為±1LSB的無丟碼真16位160kSPS ADC將這些信號數字化。該接收信號鏈支持任何類型的輸入信號，包括電壓
、電流、恒電勢
、光電流和複阻抗。


AFE 可在獨立模式下工作
， 無需Cortex-M3處理器幹預。可編程時序控製器控製測量引擎，測量結果通過DMA儲存到存儲器內。開始測量前，可執行校準程序
，以校正發送和接收信號鏈中的失調和漂移誤差。對於複阻抗測量，如血糖
、體質指數(BMI)或組織鑒別應用，內置DSP加速器可實現2048點單頻離散傅裏葉變換

，而無需M3處理器幹預。這些高性能AFE功能使ADuCM350具有其他集成解決方案無可比擬的獨特優勢。

Cortex處理器支持多種通信端口，包括I2S、USB
、MIPI和LCD顯示驅動器(靜態)。此外
，它還包括閃存、SRAM和EEPROM，並且支持五種不同的電源模式，可最大程度地延長電池使用壽命。

ADuCM350設計用於超低功耗傳感器

，性能限製為低速器件。對於要求更高處理能力的應用，可使用工作頻率高達80MHz的M3內核或者Cortex-M4處理器內核。
[page]
功耗如何？

功耗一直是便攜式設備和可穿戴設備的一個關鍵因素。本文介紹的器件針對高性能
、小尺寸和低功耗要求而設計，但在小封裝內集成所有一切器件(包括電池)仍然是一個挑戰。盡管新的電池技術實現了每mm3更高的容量，但與電子產品相比
，電池體積仍然較大。

能量采集可減小電池尺寸並延長電池使用壽命。能量采集技術有多種，包括熱電
、壓電、電磁和光電等技術—對於可穿戴設備，利用光和熱最為合適。傳感器通常不會產生大量輸出功率
，因此每焦耳熱量都應當可以被捕獲和使用。ADP5090超低功耗升壓調節器(如圖5)將采集器和電池橋接起來。此高效的開關電源可將輸入電壓從低至100mV升高到3V。冷啟動期間，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，如果電池電量沒有完全耗盡或者還有一些電能留在超級電容內
，任何低至100mV的輸入信號都可轉換為較高的電位並儲存下來，以供稍後使用。


該芯片采用微型3mm×3mm封裝，可進行編程來支持各種不同的能量采集傳感器。其最大靜態電流為250nA
，支持幾乎所有電池技術—從鋰離子電池到薄膜電池以及超級電容均可。集成式保護電路可確保安全運行。

相關閱讀：

技術風賞：物聯網傳感器電池終被能量采集器件取代
傳感器風尚：西瓜溫室生產溫濕度控製係統的設計
加速度傳感器在心搏圖應用中的設計探究