當(dāng)我還是個(gè)小男孩的時(shí)候，我媽媽總是確保我有足夠的零錢在緊急情況下打電話。二十年后，手機(jī)使我們能夠隨時(shí)隨地?fù)艽螂娫?。?jīng)過20年的創(chuàng)新，手機(jī)不再是我們智能設(shè)備的關(guān)鍵功能，它可以拍攝精美的照片，流式傳輸音頻和視頻，提供各種服務(wù)，現(xiàn)在正在成為我們的私人教練。這些設(shè)備裝有傳感器或連接到身體佩戴的傳感器，可監(jiān)控日?；顒?dòng)和個(gè)人健康。對(duì)我們健康的意識(shí)不斷提高，激發(fā)了人們對(duì)測(cè)量重要參數(shù)（如心率、溫度、血氧飽和度、血壓、活動(dòng)水平和燃燒的卡路里）的興趣，并跟蹤其日常趨勢(shì)。

現(xiàn)在，具有多個(gè)傳感器的通用傳感器前端可以監(jiān)控這些參數(shù)。最大的挑戰(zhàn)是最小化尺寸和最大化電池壽命。本文討論了快速增長(zhǎng)的可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)的解決方案。

最重要的生命體征

如果沒有心跳，我們將遇到嚴(yán)重的麻煩，因此脈搏或心率是迄今為止要監(jiān)測(cè)的最重要的參數(shù)。除了每分鐘的心跳次數(shù)外，我們還想檢查心臟的行為作為活動(dòng)的函數(shù)。節(jié)律也很重要，因?yàn)榭焖僮兓男穆适切呐K病的征兆。

監(jiān)測(cè)心率和心臟活動(dòng)通常是通過心電圖（ECG）測(cè)量生物電勢(shì)來完成的。連接到身體的電極測(cè)量由心臟組織中的電活動(dòng)引起的信號(hào)。該原理用于專業(yè)診斷系統(tǒng)，其中多達(dá)10個(gè)電極可以連接到胸部和四肢。心電圖提供有關(guān)一個(gè)心跳的各種組成部分（P波、QRS 波和 T 波）的詳細(xì)信息。

圖1.AD8232單導(dǎo)聯(lián)心電圖前端。

單導(dǎo)聯(lián)心電圖在體育界更為常見，雙電極胸帶測(cè)量心臟活動(dòng)?？梢詸z測(cè)到ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)僅測(cè)量心率。這些表帶不舒服，因此運(yùn)動(dòng)和健康行業(yè)正在尋找替代品，例如將電極集成到運(yùn)動(dòng)襯衫中。AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)測(cè)器前端（如圖1所示）專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)。它包括一個(gè)增益為100 V/V的儀表放大器和一個(gè)高通濾波器，用于阻斷皮膚上電極半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器抑制肌肉活動(dòng)（EMG信號(hào)）產(chǎn)生的高頻分量。這款低功耗前端功耗為170 μA，可與ADuCM350 16位片上儀表配合使用，以執(zhí)行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG測(cè)量。

測(cè)量心率的新方法

測(cè)量心率的新趨勢(shì)是光電容積描記圖（PPG），這是一種在不測(cè)量生物電勢(shì)的情況下檢索心臟信息的光學(xué)技術(shù)。PPG主要用于測(cè)量血氧飽和度（SpO2），但無需生物電位測(cè)量即可提供心臟信息。借助PPG技術(shù)，心率監(jiān)測(cè)器可以集成到手表或手鐲等可穿戴設(shè)備中。由于信號(hào)電平很小，這對(duì)于生物電勢(shì)系統(tǒng)是不可能的。

在光學(xué)系統(tǒng)中，光通過皮膚表面?zhèn)鬏?。紅細(xì)胞吸收的光用光電傳感器測(cè)量。隨著心臟的跳動(dòng)，變化的血容量會(huì)散射接收到的光量。當(dāng)在手指或耳垂上測(cè)量時(shí)，有大量動(dòng)脈血可用，紅色或紅外光源可提供最佳精度。然而，動(dòng)脈很少位于手腕頂部，因此使用腕戴式設(shè)備時(shí)，必須從皮膚表面下方的靜脈和毛細(xì)血管中檢測(cè)脈動(dòng)成分，從而使綠光更好。

ADPD142光學(xué)模塊（如圖2所示）具有完整的光度前端，集成了光電傳感器、電流源和LED。專為反射測(cè)量而設(shè)計(jì)，可用于實(shí)現(xiàn)PPG測(cè)量。所有組件都安裝在一個(gè)小模塊中。

圖2.ADPD142 光模塊。

光學(xué)VSM的挑戰(zhàn)

在腕戴式設(shè)備上測(cè)量PPG的主要挑戰(zhàn)是由于環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影。產(chǎn)生直流誤差的太陽相對(duì)容易抵消，但來自熒光燈和節(jié)能燈的光攜帶導(dǎo)致交流誤差的頻率分量。模擬前端使用兩種結(jié)構(gòu)來抑制直流至100 kHz的干擾源。模擬信號(hào)調(diào)理后，14位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，信號(hào)通過I2與微控制器的 C 接口，用于最終后處理。

同步發(fā)射路徑與光接收器并行集成。其獨(dú)立的電流源可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的LED，電流水平可編程高達(dá)250 mA。LED電流是脈沖的，脈沖長(zhǎng)度在微秒范圍內(nèi)，因此平均功耗保持在較低水平，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。

LED驅(qū)動(dòng)電路是動(dòng)態(tài)的，可即時(shí)配置，使其不受環(huán)境條件的影響，例如環(huán)境光、佩戴者皮膚和頭發(fā)的色調(diào)，或傳感器和皮膚之間的汗水，否則會(huì)降低靈敏度。激勵(lì)LED可以輕松配置，以構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有定時(shí)和同步均由模擬前端處理，因此不需要系統(tǒng)處理器的開銷。

ADPD142 提供兩個(gè)版本：ADPD142RG 集成了紅色和綠色 LED，以支持光學(xué)心率監(jiān)測(cè);ADPD142RI 集成了用于氧飽和度 （SpO 的紅光和紅外 LED）2） 測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)的影響

運(yùn)動(dòng)也會(huì)干擾光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器用于睡眠研究時(shí)，這可能不是問題，但在運(yùn)動(dòng)期間佩戴的運(yùn)動(dòng)手表和手鐲很難消除運(yùn)動(dòng)偽影。光學(xué)傳感器（LED和光電探測(cè)器）和皮膚之間的運(yùn)動(dòng)會(huì)降低光信號(hào)的靈敏度。此外，運(yùn)動(dòng)的頻率分量可能被視為心率測(cè)量，因此必須測(cè)量和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。設(shè)備與身體的連接越緊，沖擊力就越低，但幾乎不可能通過機(jī)械方式抵消這一點(diǎn)。

使用各種方法來測(cè)量運(yùn)動(dòng)。一種是光學(xué)的，使用多個(gè)LED波長(zhǎng)。公共信號(hào)指示運(yùn)動(dòng)，而差分信號(hào)檢測(cè)心率。但是，最好使用真正的運(yùn)動(dòng)傳感器。這不僅可以精確測(cè)量應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，還可以用于其他功能，例如跟蹤活動(dòng)、計(jì)算步數(shù)或在檢測(cè)到特定重力時(shí)啟動(dòng)應(yīng)用程序。

ADXL362是一款微功耗、3軸MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）加速度計(jì)，非常適合檢測(cè)電池供電可穿戴應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)。其 12 位 ADC 將加速度轉(zhuǎn)換為分辨率為 1mg 的數(shù)字信號(hào)。功耗隨采樣速率動(dòng)態(tài)變化，100 Hz輸出數(shù)據(jù)速率時(shí)僅為1.8 μA，400 Hz時(shí)功耗為3.0 μA。這些較高的數(shù)據(jù)速率對(duì)于用戶界面非常有用，例如點(diǎn)擊/雙擊檢測(cè)。

對(duì)于在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)啟動(dòng)應(yīng)用，不需要高速采樣，因此數(shù)據(jù)速率可以降低到6 Hz，導(dǎo)致平均功耗為300 nA。這使得該傳感器對(duì)低功率應(yīng)用和植入式設(shè)備具有吸引力，在這些應(yīng)用中，電池不容易更換。ADXL362采用3.0 mm×3.25 mm封裝。圖3顯示了幾種電源電壓下的電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

圖3.ADXL362電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

連接系統(tǒng)中的傳感器

連接所有這些傳感器、運(yùn)行所需軟件以及存儲(chǔ)、顯示或傳輸結(jié)果的系統(tǒng)的核心是混合信號(hào)片上儀表ADuCM350，它將高性能模擬前端（AFE）與16 MHz ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核集成在一起，如圖4所示。AFE的靈活性和微處理器的豐富功能集使該芯片成為便攜式和可穿戴應(yīng)用的理想選擇?？膳渲玫腁FE使其幾乎可以與任何傳感器一起使用，其可編程波形發(fā)生器為具有交流或直流信號(hào)的模擬傳感器供電。高性能接收信號(hào)鏈通過真正的 16 位、160kSPS ADC 調(diào)節(jié)傳感器信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該 ADC 具有最大 ±1LSB INL 和 DNL，并且無失碼。它可以與任何類型的輸入信號(hào)一起使用，包括電壓、電流、恒電位儀、光電流和復(fù)阻抗。??

圖4.帶有集成AFE的Cortex-M3。

AFE 可以在獨(dú)立模式下運(yùn)行，無需 Cortex-M3 處理器的參與?？删幊绦蛄衅骺刂茰y(cè)量引擎，結(jié)果通過DMA存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。在開始測(cè)量之前，可以執(zhí)行校準(zhǔn)程序來校正發(fā)送和接收信號(hào)鏈中的失調(diào)和漂移誤差。對(duì)于血糖、體重指數(shù) （BMI） 或組織辨別應(yīng)用等復(fù)雜阻抗測(cè)量，內(nèi)置 DSP 加速器可提供 2048 點(diǎn)單頻離散傅里葉變換 （DFT），無需 M3 處理器的參與。這些高性能AFE特性使ADuCM350與其他集成解決方案獨(dú)一無二。

Cortex 處理器支持各種通信端口，包括2S、USB、MIPI 和 LCD 顯示驅(qū)動(dòng)器（靜態(tài)）。此外，它還包括閃存、SRAM 和 EEPROM，并支持五種不同的電源模式，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。

ADuCM350設(shè)計(jì)用于超低功耗傳感器，僅限于低速器件。需要更多處理能力的應(yīng)用程序可以使用運(yùn)行頻率高達(dá) 80 MHz 的 M3 內(nèi)核或 Cortex-M4 處理器內(nèi)核。

權(quán)力呢？

功率始終是便攜式和可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵因素。本文中描述的器件專為高性能、小尺寸和低功耗而設(shè)計(jì)，但將包括電池在內(nèi)的所有器件集成到小型封裝中仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管新的電池技術(shù)帶來了更大的每毫米容量3，與電子設(shè)備相比，電池仍然很大。

能量收集可以減小電池尺寸并延長(zhǎng)電池壽命。各種技術(shù)用于收集能量，包括熱電、壓電、電磁和光伏，其中光和熱最適合可穿戴設(shè)備。傳感器通常不提供很大的輸出功率，因此應(yīng)捕獲并使用產(chǎn)生的每個(gè)焦耳。超低功耗升壓穩(wěn)壓器ADP5090（如圖5所示）彌合了收集器和電池之間的差距。這款高效的開關(guān)模式電源可將輸入電壓從低至 100 mV 提升至 3 V。在冷啟動(dòng)期間，電池完全放電后，需要 380mV 的最小輸入電壓，但在正常操作中，如果電池未完全耗盡或超級(jí)電容器中留下一些能量，任何低至 100 mV 的輸入信號(hào)都可以轉(zhuǎn)換為更高的電位并存儲(chǔ)以供以后使用。

該芯片采用微型 3 mm × 3mm 封裝，可編程用于各種收割機(jī)傳感器。它消耗的最大靜態(tài)電流為 250nA，可與從鋰離子電池到薄膜電池和超級(jí)電容器的幾乎所有電池技術(shù)配合使用。集成保護(hù)電路確保安全運(yùn)行。

圖5.ADP5090能量收集器

結(jié)論

本文介紹了一些用于可穿戴和個(gè)人健康應(yīng)用的低功耗產(chǎn)品，但這個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)正在迅速變化。

審核編輯：郭婷