今天我們將圍繞 ADI 最新可穿戴 VSM 平臺和所有的傳感器技術(shù)來(lái)討論，該平臺如圖 1所示。此平臺旨在提供一個(gè)參考，幫助電子設計人員和系統架構師加快開(kāi)發(fā)過(guò)程，為專(zhuān)業(yè)和醫療市場(chǎng)設計出更新、更智能、更精確的可穿戴設備。

 

圖 1. ADI 第二代集成式可穿戴設備參考設計

 

測量什么？如何測量及在哪里測量？

 

通過(guò)可穿戴設備可測量各類(lèi)重要身體參數。根據總體目標，測量某些參數比測量其他參數會(huì )更重要?？纱┐髟O備在身體上的位置在很大程度上決定了哪些參數可以測量，哪些不能測量。

 

最明顯的位置是手腕。我們已習慣于在手腕上戴個(gè)物件，所以市場(chǎng)上有很多智能手表和腕戴設備之類(lèi)的產(chǎn)品。

頭部也是佩戴可穿戴設備的好地方。例如，各式各樣的頭戴式耳機和耳塞中含有嵌入式傳感器，用來(lái)測量心率、氧飽和度、溫度等參數。

 

身體上適合可穿戴設備的第三個(gè)位置是胸部。第一代心率監護儀就是設計在胸帶上，這種生物電位測量方法至今仍是非常精確的技術(shù)。不過(guò)，現在傾向于使用胸貼，因為胸帶穿戴起來(lái)不是很舒服。已有多家制造商設計智能胸貼以監測重要身體參數。

 

根據身體位置，我們不僅要選擇哪些參數可以測量，還要選擇使用何種技術(shù)。

 

針對心率測量，生物電位測量是最古老的技術(shù)之一。其信號很強，利用兩個(gè)或更多電極便可從身體中輕松獲取。針對此方法，將電路集成在胸帶或耳機中再好不過(guò)。然而，在腕部等單一點(diǎn)處測量生物電位信號幾乎不可能。必須在產(chǎn)生電信號的心臟周?chē)鷾y量。

 

針對單點(diǎn)測量，光技術(shù)更合適。將光線(xiàn)射入組織中，捕捉并測量動(dòng)脈中血流對光線(xiàn)的反射信號。從接收到的光信號可獲知逐搏心跳信息。該技術(shù)看似相當直截了當，但事實(shí)上存在多項挑戰和影響因素會(huì )使設計變得困難，比如運動(dòng)和環(huán)境光線(xiàn)。

 

ADI 第二代可穿戴設備參考平臺集成了上述大部分技術(shù)。該設備設計戴在手腕上，但您也可以去除軟帶，將設備貼在胸上，用作智能胸貼。該設備包含支持生物電位測量、光學(xué)心率測量、生物阻抗測量、運動(dòng)跟蹤、溫度測量的技術(shù)，它們全都集成在一個(gè)微型電池供電設備中。

 

ADI 為什么設計該系統？

 

此類(lèi)系統的目標是能夠評估各種檢測技術(shù)并輕松測量身體的多個(gè)重要參數。測量結果可存儲在閃存中，或通過(guò)BLE無(wú)線(xiàn)連接發(fā)送到智能設備。由于測量是同時(shí)進(jìn)行，因此它也有助于發(fā)現多個(gè)參數之間的相關(guān)性。生物醫療工程師、算法提供商和企業(yè)家不斷尋找新技術(shù)、應用和使用場(chǎng)景以期及早檢測疾病，避免其發(fā)展到晚期，盡量降低疾病對身體的不利影響或損害。

 

傳感器成就 ADI 第二代可穿戴設備

 

第二代可穿戴設備圍繞兩片堆疊成三明治形狀的 PCB 設計而成。主板包含低功耗處理器、無(wú)線(xiàn)BLE和完整的電源管理部分（包括電池調理和充電）。第二片板支持所有檢測技術(shù)。

 

PPG 測量（光電血管容積圖）的光學(xué)系統圍繞 ADI 第二代光學(xué)模擬前端 ADPD107 而構建。ADPD 系列的功能框圖如圖2所示。

 

圖2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框圖

 

ADPD107 用作完整收發(fā)器，驅動(dòng)系統中的 LED 并測量光電二極管的返回信號。目標是針對消耗的一定 LED 電流量（電流傳輸比），測量盡可能高的光電流。輸入接收信號鏈圍繞可配置跨阻放大器而設計，其中增益編程有四個(gè)步進(jìn)，最高達到200k。第二級負責抑制環(huán)境光。環(huán)境光干擾是一個(gè)大問(wèn)題，尤其是當調制光時(shí)，比如使用 LED 或節能燈的固態(tài)照明系統。環(huán)境光抑制模塊含有一個(gè)帶通濾波器，其后是一個(gè)積分器，用以支持同步解調。這是一個(gè)關(guān)鍵功能，能夠非常有效地抑制外部光干擾。當因為某種原因而不需要環(huán)境光抑制級時(shí)，可以徹底旁路此模塊。

 

光學(xué)系統運用光脈沖。它有三個(gè)可編程的LED電流源。最大 LED電流是可編程的，可以高達 370 mA。脈沖寬度也是可編程的，可以窄至1 μs。但為了獲得良好的信號響應，脈沖寬度應在 2 μs到 3 μs左右。通常會(huì )提供一系列 LED 脈沖，同時(shí)模數轉換器對與LED 發(fā)射脈沖相關(guān)的光電二極管接收信號進(jìn)行采樣。數字引擎能夠對多個(gè)樣本進(jìn)行平均以提高整體有效位數。

 

除光學(xué)系統外，機械設計對整體性能也有重大影響。該第二代設備的光學(xué)元件選擇分立器件。這給光電二極管選擇和 LED 波長(cháng)提供了很大的靈活性，并且放寬了機械約束，例如 LED 和光電二極管之間的間距。第二代設備支持兩個(gè)綠光 LED、一個(gè)紅光 LED 和一個(gè)紅外 LED。對于在光學(xué)系統設計方面沒(méi)有太多經(jīng)驗的設計者，集成完整光學(xué)模塊可能更容易。

 

關(guān)于光電二極管的數量、大小及 LED 波長(cháng)選擇，存在一些不同的考慮。最新模塊的開(kāi)發(fā)基于以下考慮：即使安裝在塑料窗口后面，其也能表現出非常好的光學(xué)性能。第一代需要一個(gè)分離窗口來(lái)抑制內部光污染（可視為光串擾）。分離窗口有助于降低直接來(lái)自 LED 而未穿透到主體中的光線(xiàn)所引起的直流失調。這種分離窗口不容易集成，在成本上也沒(méi)有吸引力。最新系列（比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ）已大幅改進(jìn)，僅使用一個(gè)完整窗口，ILP效應幾乎已降至0。

 

兩個(gè) AD8233 模擬前端支持生物電位測量。AD8233（參見(jiàn)圖3）是ADI 第二代單導聯(lián) ECG 前端，嵌入了右腿驅動(dòng) (RLD) 功能，設計用于在高噪聲環(huán)境中提取、放大、過(guò)濾微弱的生物電位信號。此器件的重點(diǎn)應用是可穿戴設備、便攜式家庭護理系統和訓練裝備。AD8233 在交流耦合配置下工作。輸入級分為 2 個(gè)增益級。第一級的增益有限，后接一個(gè)二階高通濾波器和第二增益級。此輸入模塊的總增益為 100 V/V，其中減去了電極半電池電位所引起的失調。AD8233 的第二級結合了一個(gè)三階低通濾波器，它由一個(gè)二階 Sallen Key 濾波器和一個(gè)額外低通濾波器聯(lián)合而成。此濾波器的作用是抑制所有來(lái)自肌肉活動(dòng)的EMG相關(guān)信號。

 

圖3. AD8233 ECG前端功能框圖

 

生物電位前端的工作頻率取決于使用場(chǎng)景。僅需要QRS檢測的普通心率監護儀，其工作頻率范圍遠小于需要更多信息（例如來(lái)自P波、QRS波群和T波的時(shí)序和幅度數據）的 ECG 監護儀。AD8233 的目標頻段可通過(guò)外部電阻和電容配置。為提供靈活性，第二代可穿戴設備的ECG前端連接到嵌入式電極，配置為運動(dòng)帶寬，支持 7 Hz 至 25 Hz 的目標頻段。第二個(gè) AD8233 可以結合外部電極工作，配置用來(lái)監測 0.5 Hz 至 40 Hz 的信號。原理上可以選擇幾乎任何帶寬。然而，這要求修改硬件，改變 R 和 C 設置。

 

根據精度要求，AD8233 輸出可以送至傳感器板上 Cortex®-M3 處理器中嵌入的 12 位逐次逼近型 (SAR) ADC，或由獨立的 16 位 AD7689SAR ADC 數字化。用戶(hù)可以根據精度或電池壽命進(jìn)行權衡。

 

設備背面有兩個(gè)電極，這些電極具有雙重功能。除ECG測量外，其還可用于皮膚電活動(dòng) (EDA) 測量。

 

EDA 或皮膚電反應 (GSR) 與皮膚電導率有關(guān)，而內部或外部刺激引起的情緒變化會(huì )暫時(shí)改變皮膚電導率，例如壓力或癲癇會(huì )導致皮膚阻抗改變。第二代設備能夠檢測這種微小的電導率變化。系統利用交流激勵信號，其施加于兩個(gè)干電極上。也可以使用濕電極，效果會(huì )更好。不過(guò)，該設備僅利用兩個(gè)嵌入式不銹鋼干電極。使用交流激勵信號的主要優(yōu)勢是它不會(huì )使電極極化。接收信號鏈代表一個(gè)跨阻放大器，后接 AD7689 16 位 SAR 型ADC。出于性能原因，ADC 采樣速率遠高于激勵速率。ADC 輸出之后是一個(gè)運行在 ADuCM3029 處理器上的離散傅里葉變換 (DFT)引擎，用以表示復阻抗。上述測量原理能以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導率，并且非常好地抑制 50 Hz/60 Hz 環(huán)境信號。電路基于此測量原理而構建，完全采用分立器件。這一設計決策的主要原因是靈活性、精度和相當低的功耗。與此同時(shí)，ADI 正在開(kāi)發(fā)一款支持上述應用的新芯片。其精度非常高，而功耗極小。ADuCM350也支持類(lèi)似測量，但此芯片未針對功耗敏感型應用而優(yōu)化。

 

如果僅測量生命體征參數而不了解測量時(shí)身體處于何種狀態(tài)，那么可穿戴設備是無(wú)價(jià)值的。因此，運動(dòng)檢測和剖析很重要。像光學(xué)心率監測之類(lèi)的使用場(chǎng)景對運動(dòng)非常敏感，運動(dòng)可能完全破壞測量精度。有鑒于此，運動(dòng)也需要加以追蹤以補償偽像。運動(dòng)傳感器有助于追蹤運動(dòng)，如果需要，可以在最終讀數結果中補償運動(dòng)。ADXL362 是目前功耗最低的運動(dòng)傳感器。它有一個(gè) 3 軸MEMS傳感器并集成 12 位 ADC，可檢測X、Y和Z軸上的運動(dòng)。ADC 的輸出數據速率 (ODR) 反映傳感器的功耗，在每軸 400Hz 的全ODR 時(shí)功耗為 3 μA。圖 4 顯示了功耗與輸出數據速率的關(guān)系曲線(xiàn)。

 

圖4. ADXL362功耗與輸出數據速率的關(guān)系

 

此傳感器也可用作運動(dòng)激活開(kāi)關(guān)。采樣速率可以降至僅 6 Hz。每隔 150 ms，傳感器便喚醒并測量運動(dòng)。若無(wú)運動(dòng)，它將徑直回到睡眠狀態(tài)，再睡眠 150 ms。當 g 力等于或高于設定的閾值水平且至少持續設定的最短時(shí)間時(shí)，說(shuō)明檢測到運動(dòng)，傳感器隨即產(chǎn)生中斷或使能電源開(kāi)關(guān)以開(kāi)啟應用。在此模式下，傳感器功耗僅 300 nA，依靠單顆紐扣電池便可運行數年?？偨Y所有這些使用場(chǎng)景，可知運動(dòng)傳感器在可穿戴設備中必不可少。

 

溫度檢測是另一個(gè)重要參數。這正是第二代可穿戴設備嵌入兩個(gè)溫度傳感器的原因。腕帶設備利用 NTC 測量皮膚溫度和設備內部溫度，通過(guò)與身體接觸的傳感器測量溫度的方法有多種。NTC 由分立電路供電和調理，16 位 ADC 最終將信號轉換到數字域。ADI 擁有類(lèi)型廣泛和各種精度水平的溫度傳感器。第二代的溫度傳感器構建成分立式的原因是有 ADC 等多個(gè)功能可供使用，設計者可以盡可能多地重用若干模塊以減少冗余性，并節省更多功耗。

 

ADuCM3029——集大成者

 

第二代設備運用兩個(gè)處理器。并不是非要不可，其目的是提供更大的靈活性。帶無(wú)線(xiàn) BLE 的接口板有一個(gè)處理器，該器件也用在傳感器板上以便能自主運行。

 

設備中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集傳感器數據并運行算法。圖 5 為該處理器中的集成模塊概覽。

 

圖5. ADuCM3029集成模塊

 

內核是一個(gè) 26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設組合、片上存儲器和模擬前端。它有4種工作模式，全面運行模式下的芯片功耗為 38 μA/MHz。如不需要處理能力，設備可在靈活模式下運行。在這種工作模式下，模擬前端運行，外設有效，測得的信號可通過(guò) DMA 存儲在存儲器中。此模式的功耗僅有 300 μA，故該芯片對低功耗電池供電系統非常有吸引力。其中還嵌入了多項安全特性以保護代碼，并有一個(gè)硬件加速器用于加密功能。

 

使用場(chǎng)景的選擇

 

第二代可穿戴設備有很多用途。傳感器可以集成到智能手表中，但包括精確心率監測和運動(dòng)/卡路里消耗測量在內的眾多功能對運動(dòng)手表也很有利。智能手表和運動(dòng)手表的主要區別在于對精度和電池壽命的取舍不同。

 

測量壓力或情感狀態(tài)。通常利用組合測量來(lái)獲得可靠的讀數，例如皮膚阻抗、心率變化和溫度的組合。

血壓監控。這是一個(gè)非常重要的參數，但大部分系統是基于護腕的，很難集成到可穿戴式連續控系統中。某些技術(shù)無(wú)需護腕便可測量血壓。有一種技術(shù)利用脈搏波傳輸時(shí)間 (PTT)，這要求 ECG 測量與 PPG 測量相結合。第二代可穿戴設備內部的傳感器支持此技術(shù)。

 

與老年護理和獨立生活有關(guān)。社會(huì )對能幫助護理人員遠程監測某些參數的系統有巨大需求。該可穿戴設備支持 95% 的功能需求。系統可監測多項生命體征參數。它不僅能識別人是在移動(dòng)還是在行走，而且能檢測人是否跌倒?？纱┐髟O計缺失的一塊是應急按鈕，但這只需將處理器上的一 個(gè)I/O引腳連接到設備上方的一個(gè)開(kāi)關(guān)便能實(shí)現。

 

從原型到產(chǎn)品

 

第二代設備在一個(gè)小型可穿戴系統中嵌入了許多高性能傳感器和特性。除電子設計外，還考慮了許多機械設計方面。這使得該平臺對聚焦于半專(zhuān)業(yè)運動(dòng)市場(chǎng)、醫療市場(chǎng)以及智能建筑、獨立生活、老年護理系統相關(guān)企業(yè)的設計公司和設備制造商極具吸引力。所有參數可以同時(shí)測量，但算法需要助力應用以支持使用場(chǎng)景。測試和驗證算法之前無(wú)需構建硬件，開(kāi)發(fā)商和設備制造商可利用此設備快速開(kāi)始項目。

 

 

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