可穿戴健康、保健和健身市場(chǎng)發(fā)展非常迅速，幾乎每周都會(huì)出現(xiàn)新產(chǎn)品。低成本、低功耗微控制器的可用性和廣泛的無線連接有助于推動(dòng)便攜性和個(gè)人健身監(jiān)視器新市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

　　對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，開發(fā)一種新的健康或健身設(shè)備通常意味著將以前存在于床邊設(shè)備中的功能壓縮成易于攜帶，甚至可以綁在手腕上的尺寸。市場(chǎng)的速度也帶來了問題：花費(fèi)數(shù)月來評(píng)估設(shè)備和開發(fā)定制硬件來驗(yàn)證一個(gè)概念可能會(huì)導(dǎo)致新產(chǎn)品遲到，甚至完全錯(cuò)過市場(chǎng)窗口。

　　本文將著眼于兩種常見的可穿戴健康設(shè)備的示例，并確定它們共享的傳感、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并解決與可穿戴設(shè)備相關(guān)的許多設(shè)計(jì)問題的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)。

　　便攜式醫(yī)療設(shè)備示例

　　哪些組件構(gòu)成了這些便攜式醫(yī)療和健身設(shè)計(jì)的核心？讓我們看幾個(gè)例子：

　　脈搏血氧儀：脈搏血氧儀測(cè)量動(dòng)脈血中的氧飽和度，以確保有足夠的氧合：用戶包括有呼吸問題的人、接受麻醉的患者以及早產(chǎn)兒或新生兒。

　　脈搏血氧儀是非侵入性的。最常見的傳感方法通過通過手指、腳趾或耳朵傳輸紅色和紅外線 （IR） 光并測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收波長(zhǎng)的比率來測(cè)量氧氣水平。血液中的含氧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的紅光。

　　在典型設(shè)計(jì)中，手指安裝夾包含兩個(gè) LED 發(fā)射器、一個(gè)用于測(cè)量吸光度的光電二極管傳感器和一個(gè)用于傳輸唯一序列標(biāo)識(shí)號(hào)的串行鏈路（圖 2）。

　　圖 ：典型脈搏血氧儀的框圖顯示了光傳輸、傳感、信號(hào)調(diào)節(jié)、控制、通信和顯示階段。（圖片來源：美信集成）

　　主單元包含一個(gè)微控制器，它接收和處理模擬傳感器信息、驅(qū)動(dòng) LED、通過顯示器將結(jié)果通知用戶，并通過有線或無線鏈路傳輸結(jié)果。

　　夾子通過電纜連接到主機(jī)，但有些血氧儀將所有電子設(shè)備包含在一個(gè)手指安裝的設(shè)備中。

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

　　圖 ：用于健身應(yīng)用的心率胸帶和手表顯示屏。表帶（頂部）容納傳感器和 MCU，并傳輸?shù)绞直恚ǖ撞浚?，在那里可以進(jìn)行更復(fù)雜的操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。（圖片來源：美信集成）

　　傳感部分由一個(gè)帶有心率和溫度傳感器的胸帶組成。它在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段之前提供心臟信號(hào)的調(diào)節(jié)。然后它將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)浇邮掌鳌＝邮掌骺梢允鞘占畔⒁灾苯语@示的手表。或者，手表可以重新傳輸?shù)?PC 或直接傳輸?shù)皆贫艘赃M(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和進(jìn)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(jì)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行激勵(lì)和監(jiān)控。

　　可穿戴設(shè)備架構(gòu)共性

　　比較這些醫(yī)療和可穿戴設(shè)備的架構(gòu)，很明顯它們有許多共同點(diǎn)：

　　一個(gè)或多個(gè)專用傳感器測(cè)量生物信息。感興趣的參數(shù)通常在本質(zhì)上是模擬的；正如我們所見，許多設(shè)備測(cè)量多個(gè)項(xiàng)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(hào)調(diào)理電路，例如運(yùn)算放大器、跨阻放大器 （ TIA ） 或可編程增益放大器 （PGA）；前端設(shè)備的輸出饋入精密模數(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。低功耗模式使微控制器大部分時(shí)間處于睡眠模式并定期喚醒以進(jìn)行測(cè)量或響應(yīng)傳入數(shù)據(jù)，從而最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。該微控制器還包括安全功能，可防止未經(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(zhǔn)、保護(hù)電路、電池和電池管理電路組成。電壓調(diào)節(jié)器可以包括線性和開關(guān)拓?fù)洹Ｈ绻姵厥强沙潆姷?，還有一個(gè)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，常用接口包括 USB、Wi-Fi （IEEE 802.11） 和藍(lán)牙低功耗 （BLE）。

　　最后，還有一個(gè)人機(jī)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(yáng)聲器，可能還有麥克風(fēng)，以及隨附的接口組件，例如顯示驅(qū)動(dòng)器、A??DC 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）。

　　相似之處不僅限于硬件：它們還有許多共同的軟件元素。例如，數(shù)據(jù)安全對(duì)于健康和健身應(yīng)用都至關(guān)重要。加密和身份驗(yàn)證是大多數(shù)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組件。如果產(chǎn)品用于醫(yī)療環(huán)境，健康保險(xiǎn)流通與責(zé)任法案 （HIPAA） 等法規(guī)可能要求設(shè)計(jì)安全性。其他常見的軟件元素包括 BLE 或 USB 堆棧、顯示驅(qū)動(dòng)程序或用戶界面例程。

　　現(xiàn)成的開發(fā)平臺(tái)可縮短上市時(shí)間

　　設(shè)計(jì)可穿戴健康或健身產(chǎn)品可能很復(fù)雜，但設(shè)計(jì)師可能經(jīng)常面臨巨大的上市時(shí)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)商正在通過提供現(xiàn)成的開發(fā)平臺(tái)來幫助縮短開發(fā)時(shí)間。這些可以構(gòu)成多種健康和健身應(yīng)用的基礎(chǔ)。

　　例如， Maxim Integrated 的MAXREFDES100# hSensor 平臺(tái)將所有硬件構(gòu)建模塊都包含在一塊 PC 板上。它還具有通過 ARM mbed 硬件開發(fā)套件 （HDK） 輕松訪問的硬件功能。

　　hSensor 平臺(tái)包括一個(gè) hSensor 板、帶驅(qū)動(dòng)程序的固件、一個(gè)圖形用戶界面 （GUI） 和一個(gè)調(diào)試器板。

　　固件源代碼可在Maxim 的網(wǎng)站上獲得，因此設(shè)計(jì)人員可以加載算法以使平臺(tái)適應(yīng)不同的用例?？蛻艨梢韵螺d固件以優(yōu)化設(shè)計(jì)、加快評(píng)估速度并顯著縮短上市時(shí)間。原理圖、材料清單 （BOM）、布局文件、Gerber 文件和軟件也可在線獲取。

　　hSensor 平臺(tái)中的組件專為便攜式和可穿戴應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有降低整體功耗的功能。該板的尺寸為 25.4 毫米 x 30.5 毫米，足夠小以適應(yīng)基于胸部、基于手臂、基于手腕、基于手指和基于耳朵的臨床或健身應(yīng)用。

　　圖 ：hSensor 平臺(tái)包括許多常見的健康和健身構(gòu)建塊。（圖片來源：美信集成）

　　傳感器和 AFE 電路

　　該平臺(tái)包括用于許多常見健康和健身功能的傳感器。它可以測(cè)量皮膚溫度和心率，并支持心電圖、肌電圖（EMG）和腦電圖（EEG）等多種生物電勢(shì)測(cè)量。對(duì)于健身手環(huán)應(yīng)用，加速度計(jì)/陀螺儀組合可感應(yīng)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；該平臺(tái)還包括一個(gè)氣壓傳感器。

　　幾個(gè)專門的設(shè)備支持生物學(xué)功能。例如，MAX30101光學(xué)傳感器集成了光學(xué)和電氣功能，可制成高靈敏度脈搏血氧儀和心率傳感器。

　　圖 ：MAX30101 是一款單芯片脈搏血氧飽和度傳感器，包含光學(xué)和電子元件。（圖片來源：美信集成）

　　MAX30101 將紅色、綠色和 IR LED、光電二極管和 AFE 電路（如 18 位 delta-sigma ADC）與環(huán)境光消除相結(jié)合。通信由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) I 2 C 接口提供。當(dāng)用戶的手指不在傳感器附近時(shí)，接近功能可降低功耗。

　　MAX30205臨床級(jí)溫度傳感器提供 0.1°C 精度和 16 位分辨率。它針對(duì)低電壓 （2.7 V – 3.3 V） 和低電流 （600 μA） 操作的可穿戴設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。該部件包括一個(gè)過熱警報(bào)并通過一個(gè) I 2 C 端口進(jìn)行通信。當(dāng)焊接在生產(chǎn)印刷電路板上時(shí)，其精度符合 ASTM E1112 的臨床測(cè)溫規(guī)范。

　　MAX30003單通道集成生物電勢(shì) AFE 為 ECG 應(yīng)用提供接口。信號(hào)鏈包括一個(gè)輸入多路復(fù)用器和一個(gè)儀表放大器，后面是一個(gè)具有可選截止頻率的低通濾波器和一個(gè) PGA。

　　與其他 hSensor 器件一樣，該器件有助于延長(zhǎng)電池壽命，在 1.1 V 工作電壓下功耗僅為 85 μW。它還包括一個(gè)功能，可讓部件保持深度睡眠模式，直到它檢測(cè)到有效的 ECG 導(dǎo)聯(lián)。為了進(jìn)一步降低功耗，可配置的中斷只能在每次心跳時(shí)喚醒微控制器。

　　微控制器

　　該控制器是基于 32 位 ARM? Cortex?-M4F 內(nèi)核和浮點(diǎn)控制器的超低功耗微控制器。與其他 hSensor 組件一樣，該微控制器針對(duì)可穿戴設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，具有四種靈活的電源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(gè)帶有可選電壓基準(zhǔn)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(xiàng)，以及一個(gè)集成的 USB 2.0 收發(fā)器和一個(gè) 1-Wire 主模塊。

　　電源塊

　　MAX14720是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(jì)，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。一個(gè)外部按鈕控制 MAX14720 電源排序：三秒按下打開 PMIC，然后在 20 秒后將其關(guān)閉。

　　數(shù)據(jù)通訊

　　hSensor 平臺(tái)包括有線和無線通信端口。該微控制器通過可逆 USB Type-C 連接器提供 USB 2.0，以最小化電路板尺寸。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(tái)能夠充當(dāng) 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)用程序提供了一個(gè) GUI，允許使用 USB 來配置系統(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(tái)操作。該參考設(shè)計(jì)包括 MAXREFDES100HDK# 編程適配器，它為固件更新提供無驅(qū)動(dòng)程序拖放編程，以及一個(gè)虛擬 UART 接口和一個(gè)與 ARM 的 CMSIS-DAP 接口固件兼容的調(diào)試器。

　　固件使用圖 所示的中斷驅(qū)動(dòng)模型。上電后，微控制器將電源管理設(shè)備和傳感器配置為默認(rèn)設(shè)置。然后它等待來自 GUI 或 Android 應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程過程調(diào)用 （RPC）。

　　圖 ：MAXREFDES100# 的固件流程圖（版本 10）基于中斷驅(qū)動(dòng)模型。（圖片來源：美信集成）

　　結(jié)論

　　用于健康或健身市場(chǎng)的可穿戴產(chǎn)品必須滿足嚴(yán)格的性能要求，消耗最少的功率，并且可以裝入極小的封裝中。設(shè)計(jì)必須結(jié)合專用傳感器、精密模擬電路、數(shù)字控制以及有線或無線通信。

　　對(duì)于健康傳感器應(yīng)用，工作硬件和固件平臺(tái)允許設(shè)計(jì)人員快速驗(yàn)證概念，或使用平臺(tái)的現(xiàn)有功能作為新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

　　Maxim 的 MAXREFDES100# 參考設(shè)計(jì)提供了這樣一個(gè)平臺(tái)。它針對(duì)此應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，帶有經(jīng)過設(shè)計(jì)和測(cè)試的模塊，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并縮短上市時(shí)間。它包括帶有多個(gè)健康相關(guān)傳感器的 hSensor 平臺(tái)和一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 ARM 核心微控制器，以及一個(gè)完整的可下載源代碼的強(qiáng)大軟件生態(tài)系統(tǒng)。

　　使用這些組件，設(shè)計(jì)人員可以快速配置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，專注于產(chǎn)品的差異化功能，并大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。在快節(jié)奏的健康和健身可穿戴設(shè)備市場(chǎng)中，這可能是成功與失敗的區(qū)別。

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