可穿戴的健康，保健和健身市場發(fā)展迅速，新產(chǎn)品幾乎每周出現(xiàn)一次。低成本，低功耗微控制器和廣泛的無線連接的可用性促進了便攜性和個人健身監(jiān)視器新市場的增長。

對于設(shè)計團隊來說，開發(fā)一種新的健康或健身設(shè)備通常意味著將先前存放在床邊設(shè)備中的功能壓縮成易于攜帶的尺寸，或者甚至可以綁在手腕上。市場的速度也帶來了問題：花費數(shù)月時間評估設(shè)備和開發(fā)定制硬件以驗證概念可能會導致新產(chǎn)品遲到，甚至完全錯過市場窗口。

本文將介紹在兩個常見的可穿戴健康設(shè)備的示例中，確定其共享的感知，處理和通信功能。然后，它將介紹并展示如何開始使用具有這些必要特性的參考設(shè)計平臺，并解決與可穿戴設(shè)備相關(guān)的許多設(shè)計問題。

便攜式醫(yī)療設(shè)備的示例

哪些組件構(gòu)成了這些便攜式醫(yī)療和健身設(shè)計的核心？我們來看幾個例子：

脈搏血氧儀：脈搏血氧儀測量動脈血中的氧飽和度，以確保有足夠的氧合作用：用戶包括呼吸系統(tǒng)疾病患者，麻醉患者，早產(chǎn)兒或新生兒嬰兒（圖1）。

圖1：典型的手指式脈搏血氧儀，是許多與健康相關(guān)的可穿戴儀器之一。 （圖片來源：911school.com）

脈搏血氧儀是非侵入性的。最常見的傳感方法是通過手指，腳趾或耳朵傳輸紅光和紅外（IR）光來測量氧氣水平，并測量兩個接收波長的比率。血液中的氧合血紅蛋白比紅光吸收更多的紅外輻射;脫氧血紅蛋白比紅外線吸收更多紅光。

在典型設(shè)計中，手指安裝的夾子包含兩個LED發(fā)射器，一個用于測量吸光度的光電二極管傳感器，以及一個用于傳輸唯一序列識別號的串行鏈路（圖2）。

圖2：典型脈搏血氧儀的方框圖顯示了光傳輸，傳感，信號調(diào)節(jié)，控制，通信和顯示階段。 （圖像來源：Maxim Integrated）

主單元包含一個微控制器，用于接收和處理模擬傳感器信息，驅(qū)動LED，通過顯示器通知用戶結(jié)果，并通過有線傳輸結(jié)果或無線鏈接。

夾子通過電纜連接到主機，但有些血氧計包含一個手指安裝設(shè)備中的所有電子設(shè)備。

健身監(jiān)視器：健身監(jiān)控跟蹤和記錄身體活動，以幫助改善身體健康。典型設(shè)備跟蹤心率，溫度，時間和距離等指標。與脈搏血氧儀一樣，它通常由兩個不同的單元組成：傳感器和接收器或顯示單元（圖3）。

圖3：適用于健身應(yīng)用的心率胸帶和手表顯示屏。帶子（頂部）容納傳感器和MCU，并傳輸?shù)绞直恚ǖ撞浚?，可以進行更復雜的動作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 （圖像來源：Maxim Integrated）

傳感部分包括一個帶有心率和溫度傳感器的胸帶。它在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段之前提供心臟信號的調(diào)節(jié)。然后它將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)浇邮掌?。接收器可以是收集信息以直接顯示的手表?；蛘?，手表可以重新傳輸?shù)絇C或直接傳輸?shù)皆贫诉M行數(shù)據(jù)記錄和進一步分析。一些體育課甚至在大屏幕上顯示所有成員的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以激勵和監(jiān)控。

可穿戴設(shè)備架構(gòu)共性

比較這些醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備的架構(gòu)，很明顯他們有許多共同點：

一個或多個專門的傳感器測量生物信息。感興趣的參數(shù)通常是模擬的;正如我們所見，許多設(shè)備測量多個項目。

模擬前端（AFE）捕獲并處理傳感器信息。 AFE通常包含前端信號調(diào)理電路，例如運算放大器，跨阻抗放大器（TIA）或可編程增益放大器（PGA）;前端設(shè)備的輸出饋送精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

低功耗微控制器控制和協(xié)調(diào)其他組件的操作。低功耗模式可讓微控制器最大限度地延長電池壽命，將大部分時間用于睡眠模式，并定期喚醒以進行測量或響應(yīng)輸入數(shù)據(jù)。微控制器還包括安全功能，以防止未經(jīng)授權(quán)訪問患者或用戶數(shù)據(jù)。

電源模塊由穩(wěn)壓器，電壓基準，保護電路，電池和電池管理電路組成。電壓調(diào)節(jié)器可包括線性和開關(guān)拓撲。如果電池是可充電的，還有一個有線或無線充電器。

有線或無線數(shù)據(jù)端口與其他設(shè)備交換信息。根據(jù)應(yīng)用的不同，通用接口包括USB，Wi-Fi（IEEE 802.11）和藍牙低功耗（BLE）。

最后，還有一個人機界面（HMI）來顯示結(jié)果并接受用戶輸入。 HMI通常包括顯示器，開關(guān)，揚聲器和可能的麥克風，以及附帶的接口組件，如顯示驅(qū)動器，ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

相似之處并不以硬件結(jié)束：它們還有許多共同的軟件元素。例如，數(shù)據(jù)安全性對健康和健身應(yīng)用至關(guān)重要。加密和身份驗證是大多數(shù)設(shè)計中的關(guān)鍵組件。如果產(chǎn)品用于醫(yī)療環(huán)境，則健康保險流通與責任法案（HIPAA）等法規(guī)可能要求設(shè)計安全性。其他常見軟件元素包括BLE或USB堆棧，顯示驅(qū)動程序或用戶界面例程。

現(xiàn)成的開發(fā)平臺縮短了產(chǎn)品上市時間

設(shè)計可穿戴的健康或健身產(chǎn)品可能很復雜，但設(shè)計人員可能經(jīng)常處于大量上市時間壓力。由于許多便攜式健康和健身產(chǎn)品具有與上述兩者相似的要求，因此組件供應(yīng)商通過提供現(xiàn)成的開發(fā)平臺來幫助縮短開發(fā)時間。這些可以構(gòu)成多種健康和健身應(yīng)用的基礎(chǔ)。

Maxim Integrated的MAXREFDES100 #hSensor平臺，例如，在一塊印刷電路板上包含所有硬件構(gòu)建模塊。它還具有ARM mbed硬件開發(fā)套件（HDK）可輕松訪問的硬件功能。

圖4：hSensor平臺可幫助設(shè)計人員快速入門一個現(xiàn)成的健康和健身平臺。 （圖像來源：Maxim Integrated）

hSensor平臺包括一個hSensor板，帶驅(qū)動程序的固件，一個圖形用戶界面（GUI）和一個調(diào)試板。

固件源代碼可在Maxim的網(wǎng)站上找到，以便設(shè)計人員可以加載算法以使平臺適應(yīng)不同的用例?？蛻艨梢韵螺d固件以優(yōu)化設(shè)計，加快評估速度，并顯著縮短產(chǎn)品上市時間。原理圖，物料清單（BOM），布局文件，Gerber文件和軟件也可在線獲取。

hSensor平臺中的組件專為便攜式和可穿戴應(yīng)用而設(shè)計，具有降低總體功耗的功能消費（圖5）。該板尺寸為25.4 mm x 30.5 mm，小到足以容納胸部，手臂，手腕，手指和耳部臨床或健身應(yīng)用。

圖5：hSensor平臺包括許多常見的健康和健身構(gòu)建塊。 （圖像來源：Maxim Integrated）

傳感器和AFE電路

該平臺包括用于許多常見健康和健身功能的傳感器。它可以測量皮膚溫度和心率，并支持各種生物電位測量，如心電圖，肌電圖（EMG）和腦電圖（EEG）。對于健身帶應(yīng)用，組合加速度計/陀螺儀感應(yīng)運動和旋轉(zhuǎn);該平臺還包括一個氣壓傳感器。

幾種專用設(shè)備支持生物功能。例如，MAX30101光學傳感器集成了光學和電學功能，可以制作高靈敏度的脈搏血氧儀和心率傳感器（圖6）。

圖6：MAX30101是一款單芯片脈搏血氧飽和度傳感器，包括光學和電子元件。 （圖像來源：Maxim Integrated）

MAX30101將紅色，綠色和紅外LED，光電二極管和AFE電路（如18位Δ-ΣADC）與環(huán)境光消除相結(jié)合。通信由行業(yè)標準I 2 C接口提供。當用戶的手指不在傳感器附近時，接近功能可降低功耗。

MAX30205臨床級溫度傳感器提供0.1°C精度和16位分辨率。它經(jīng)過優(yōu)化，適用于具有低電壓（2.7 V - 3.3 V）和低電流（600μA）操作的可穿戴設(shè)備。該部件包括一個過熱報警器，并通過I 2 C端口進行通信。當焊接在生產(chǎn)印刷電路板上時，其精度符合ASTM E1112的臨床溫度測量規(guī)范。

MAX30003單通道集成生物電位AFE為ECG應(yīng)用提供接口。信號鏈包括輸入多路復用器和儀表放大器，然后是具有可選截止頻率和PGA的低通濾波器。

與其他hSensor器件一樣，該器件有助于延長電池壽命，在1.1 V工作時功耗低至85μW。它還包括將部件保持在深度睡眠模式的功能，直到它檢測到有效的心電圖導聯(lián)。為了進一步降低功耗，可配置中斷只能在每次心跳時喚醒微控制器。

微控制器

該控制器是一款基于32位ARM?Cortex?-M4F內(nèi)核和浮點控制器的超低功耗微控制器。與其他hSensor組件一樣，微控制器針對可穿戴設(shè)備進行了優(yōu)化，具有四種靈活的功耗模式和固件控制的電源門控，可最大限度地降低功耗。該器件包括一個帶有可選電壓基準的四輸入10位ADC，以及包括SPI，UART和I 2 C串行接口的通信選項，以及集成的USB 2.0收發(fā)器和1-Wire主模塊。

電源模塊

MAX14720構(gòu)成電源管理模塊的核心。該器件專為空間受限的電池供電應(yīng)用而設(shè)計，集成了電源開關(guān)，線性穩(wěn)壓器，降壓穩(wěn)壓器和降壓 - 升壓穩(wěn)壓器。外部按鈕控制MAX14720的電源排序：三秒鐘按下PMIC，然后二十秒后關(guān)閉它。

數(shù)據(jù)通信

hSensor平臺包括兩個有線和無線通信端口。微控制器通過可逆USB Type-C連接器提供USB 2.0，以最大限度地減小電路板尺寸。無線BLE通信由EM Microelectronics完全集成的單芯片控制器提供，使hSensor平臺可以充當BLE主設(shè)備或從設(shè)備。

軟件支持

軟件支持包括PC和Android。 PC應(yīng)用程序提供GUI，允許使用USB配置系統(tǒng)和讀取傳感器數(shù)據(jù)。 Android應(yīng)用程序提供BLE功能。

開發(fā)人員可以使用ARM mbed開發(fā)環(huán)境自定義平臺操作。該參考設(shè)計包括MAXREFDES100HDK＃編程適配器，可為固件更新提供無驅(qū)動的拖放編程，以及與ARM的CMSIS-DAP接口固件兼容的虛擬UART接口和調(diào)試器。

固件使用中斷驅(qū)動的模型，如圖7所示。上電后，微控制器將電源管理器件和傳感器配置為默認設(shè)置。然后它等待來自GUI或Android應(yīng)用程序的遠程過程調(diào)用（RPC）。

圖7：MAXREFDES100＃的固件流程圖（版本10） ）基于中斷驅(qū)動的模型。 （圖片來源：Maxim Integrated）

結(jié)論

健康或健身市場的可穿戴產(chǎn)品必須滿足嚴格的性能要求，消耗最少的功率，并適合極小的封裝。該設(shè)計必須結(jié)合專用傳感器，精密模擬電路，數(shù)字控制和有線或無線通信。

對于健康傳感器應(yīng)用，工作硬件和固件平臺允許設(shè)計人員快速驗證概念，或使用平臺現(xiàn)有功能作為新設(shè)計的基礎(chǔ)。

Maxim的MAXREFDES100＃參考設(shè)計提供了這樣一個平臺。它針對此應(yīng)用進行了優(yōu)化，采用經(jīng)過設(shè)計和測試的模塊，可簡化設(shè)計并縮短產(chǎn)品上市時間。它包括帶有多個健康相關(guān)傳感器的hSensor平臺和行業(yè)標準ARM核心微控制器，以及具有可下載源代碼的強大軟件生態(tài)系統(tǒng)。

使用這些組件，設(shè)計人員可以快速配置基礎(chǔ)設(shè)計，專注于區(qū)分產(chǎn)品的功能，并將產(chǎn)品上市時間縮短數(shù)月。在快節(jié)奏的健康和健身可穿戴設(shè)備市場中，這可能是成功與失敗之間的差異。