當我還是個小男孩的時候，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，手機使我們能夠隨時隨地撥打電話。經(jīng)過20年的創(chuàng)新，手機不再是我們智能設(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?；顒雍蛡€人健康。對我們健康的意識不斷提高，激發(fā)了人們對測量重要參數(shù)（如心率、溫度、血氧飽和度、血壓、活動水平和燃燒的卡路里）的興趣，并跟蹤其日常趨勢。

現(xiàn)在，具有多個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的可穿戴電子產(chǎn)品市場的解決方案。

最重要的生命體征

如果沒有心跳，我們將遇到嚴重的麻煩，因此脈搏或心率是迄今為止要監(jiān)測的最重要的參數(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的函數(shù)。節(jié)律也很重要，因為快速變化的心率是心臟病的征兆。

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

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，雙電極胸帶測量心臟活動?？梢詸z測到ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)僅測量心率。這些表帶不舒服，因此運動和健康行業(yè)正在尋找替代品，例如將電極集成到運動襯衫中。AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)測器前端（如圖1所示）專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)。它包括一個增益為100 V/V的儀表放大器和一個高通濾波器，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（EMG信號）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測量。

測量心率的新方法

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

在光學(xué)系統(tǒng)中，光通過皮膚表面?zhèn)鬏?。紅細胞吸收的光用光電傳感器測量。隨著心臟的跳動，變化的血容量會散射接收到的光量。當在手指或耳垂上測量時，有大量動脈血可用，紅色或紅外光源可提供最佳精度。然而，動脈很少位于手腕頂部，因此使用腕戴式設(shè)備時，必須從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管中檢測脈動成分，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。專為反射測量而設(shè)計，可用于實現(xiàn)PPG測量。所有組件都安裝在一個小模塊中。

圖2.ADPD142 光模塊。

光學(xué)VSM的挑戰(zhàn)

在腕戴式設(shè)備上測量PPG的主要挑戰(zhàn)是由于環(huán)境光和運動產(chǎn)生的偽影。產(chǎn)生直流誤差的太陽相對容易抵消，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。模擬信號調(diào)理后，14位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號進行數(shù)字化處理，信號通過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。其獨立的電流源可以驅(qū)動兩個獨立的LED，電流水平可編程高達250 mA。LED電流是脈沖的，脈沖長度在微秒范圍內(nèi)，因此平均功耗保持在較低水平，以最大限度地延長電池壽命。

LED驅(qū)動電路是動態(tài)的，可即時配置，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，否則會降低靈敏度。激勵LED可以輕松配置，以構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有定時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 提供兩個版本：ADPD142RG 集成了紅色和綠色 LED，以支持光學(xué)心率監(jiān)測;ADPD142RI 集成了用于氧飽和度 （SpO 的紅光和紅外 LED）2） 測量。

運動的影響

運動也會干擾光學(xué)系統(tǒng)。當光學(xué)心率監(jiān)測器用于睡眠研究時，這可能不是問題，但在運動期間佩戴的運動手表和手鐲很難消除運動偽影。光學(xué)傳感器（LED和光電探測器）和皮膚之間的運動會降低光信號的靈敏度。此外，運動的頻率分量可能被視為心率測量，因此必須測量和補償運動。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械方式抵消這一點。

使用各種方法來測量運動。一種是光學(xué)的，使用多個LED波長。公共信號指示運動，而差分信號檢測心率。但是，最好使用真正的運動傳感器。這不僅可以精確測量應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的運動，還可以用于其他功能，例如跟蹤活動、計算步數(shù)或在檢測到特定重力時啟動應(yīng)用程序。

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

對于在檢測到運動時啟動應(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、運行所需軟件以及存儲、顯示或傳輸結(jié)果的系統(tǒng)的核心是混合信號片上儀表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。可配置的AFE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的模擬傳感器供電。高性能接收信號鏈通過真正的 16 位、160kSPS ADC 調(diào)節(jié)傳感器信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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 可以在獨立模式下運行，無需 Cortex-M3 處理器的參與?？删幊绦蛄衅骺刂茰y量引擎，結(jié)果通過DMA存儲到存儲器中。在開始測量之前，可以執(zhí)行校準程序來校正發(fā)送和接收信號鏈中的失調(diào)和漂移誤差。對于血糖、體重指數(shù) （BMI） 或組織辨別應(yīng)用等復(fù)雜阻抗測量，內(nèi)置 DSP 加速器可提供 2048 點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，以最大限度地延長電池壽命。

ADuCM350設(shè)計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)用程序可以使用運行頻率高達 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，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電容器中留下一些能量，任何低至 100 mV 的輸入信號都可以轉(zhuǎn)換為更高的電位并存儲以供以后使用。

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電容器的幾乎所有電池技術(shù)配合使用。集成保護電路確保安全運行。

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人健康應(yīng)用的低功耗產(chǎn)品，但這個快速增長的市場正在迅速變化。

審核編輯：郭婷