Maxim提供完整的光學生物測量方案

 

圖1. 完整光學測量開發方案

 

圖1所示
，一個完整的光學測量方案在可穿戴設備上的應用，主要包含4部分：

 

●   性能卓越的傳感器：針對人體各項生理特征指標測量，如心率、血壓飽和度、血氧等，Maxim推出了一係列光學測量傳感器，適用於人體的耳朵、手腕、指尖、額頭、腹部等多個測量部位。此係列產品均帶有體積小，功耗低
，高信噪比SNR的特點，可為測量係統提供高質量的原始數據raw data.

 

●   高性能高精度的人體生理指標測量算法：Maxim算法團隊完成了基本特征指標的測量（心率、血氧飽和度和血壓），算法輸出精度均可達到FDA測量標準。此外，Maxim算法還可以輸出包括行為檢測、運動信息和睡眠監測等高級應用結果。針對不同應用，客戶可選擇不同算法模塊。所有算法均可集成到Maxim超低功耗sensor hub MAX32664中。

 

●   係統級的設計仿真和設計驗證：生理特征測量需要涵蓋不同人群
，而人與人之間的膚色、體毛、血xue液ye容rong量liang等deng因yin素su都dou有you差cha異yi
，這zhe會hui影ying響xiang測ce量liang的de結jie果guo。光guang學xue測ce量liang方fang法fa
，在zai結jie構gou上shang容rong易yi受shou到dao環huan境jing光guang的de幹gan擾rao
，在zai硬ying件jian設she計ji上shang其qi微wei小xiao的de信xin號hao容rong易yi收shou到dao其qi它ta高gao頻pin信xin號hao的de幹gan擾rao。這zhe些xie因yin素su都dou會hui大da大da增zeng加jia產chan品pin設she計ji難nan度du。Maximzaijiegoushejiheyingjianshejishangkeyitigongwanzhengdeshejiguifanhecankaosheji，kehuzhiyaozaicankaoshejishangzuojiandandexiugai，jikewanchengkezhihuasheji，dadajianxiaochanpinshejizhouqi。

 

●   專業的醫療臨床驗證指導：Maxim在zai產chan品pin開kai發fa過guo程cheng中zhong積ji累lei了le豐feng富fu的de臨lin床chuang驗yan證zheng經jing驗yan，和he國guo內nei外wai的de權quan威wei認ren證zheng機ji構gou也ye保bao持chi這zhe良liang好hao的de合he作zuo關guan係xi。這zhe些xie寶bao貴gui的de經jing驗yan都dou可ke以yi用yong於yu指zhi導dao客ke戶hu經jing行xing產chan品pin的de臨lin床chuang驗yan證zheng和he相xiang關guan權quan威wei機ji構gou認ren證zheng。

 

完(wan)整(zheng)地(di)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，可(ke)以(yi)讓(rang)客(ke)戶(hu)靈(ling)活(huo)地(di)選(xuan)擇(ze)產(chan)品(pin)功(gong)能(neng)
，大(da)大(da)地(di)減(jian)少(shao)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)和(he)驗(yan)證(zheng)時(shi)間(jian)，輕(qing)鬆(song)無(wu)縫(feng)地(di)把(ba)方(fang)案(an)基(ji)礎(chu)到(dao)客(ke)戶(hu)開(kai)發(fa)台(tai)

，把(ba)產(chan)品(pin)推(tui)向(xiang)市(shi)場(chang)。

 

Sensor Hub概述

 

MAX32664是Maxim光學人體生理指標測量整體方案一部分，其內置固件和可穿戴設備算法。它實現與了Maxim的(de)光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)通(tong)信(xin)，並(bing)執(zhi)行(xing)其(qi)生(sheng)理(li)指(zhi)標(biao)測(ce)量(liang)算(suan)法(fa)，向(xiang)外(wai)部(bu)主(zhu)機(ji)交(jiao)付(fu)傳(chuan)感(gan)器(qi)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)或(huo)算(suan)法(fa)數(shu)據(ju)，無(wu)縫(feng)地(di)實(shi)現(xian)了(le)客(ke)戶(hu)的(de)需(xu)求(qiu)。主(zhu)控(kong)隻(zhi)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)I2C接口
，讀取MAX32664的輸出結果，即可獲取所需的生物指標測量結果。如下圖2是係統框圖：

 

圖2. 係統框圖

 

圖3. MAX32664 硬件框圖

 

Sensor Hub硬件介紹

 

MAX32664是Maxim新一代超低功MCU產品，硬件框圖如圖3，它具備如下特點：

 

●   超強運算能力：超低功耗ARM M4核的MCU
，帶有浮點運算單元 (FPU)，最高運行時鍾96MHz

●   高集成度：自帶256KB flash、96KB RAM、16KB指令緩存、14個通用I/O引腳
；

●   外設資源：一個SPI/I2C 接口完成與傳感器的通信
，一個I2C slave與主機進行通信
；支持RTC和UART

●   超小體積：WLP(1.6mm x 1.6mm x 0.65mm)

●   超低功耗：工作模式：45uW/MHz
，數據保持模式：85nW/KB

 

豐富的高性能算法

 

圖4. 算法模塊框圖

 

Maxim算法團隊在生理指標算法領域已經默默耕耘超過五年

，開發出了豐富的基礎算法和高級應用算法。Maxim 算法團隊在此領域有著長遠的計劃
，不僅持續地對現有的算法進行優化，而且新的應用算法也會不斷推出。以上算法模塊都可集成到sensor hub MAX32664中
，主控通過I2C接口讀取算法結果即可，大大縮減開發周期。

 

如圖4

，算法模塊主要包括：

 

基礎算法：

 

●   AFE 管理：對光學傳感進行控製
，同時對信號質量進行計算，在保證算法精度的前提上，以達到功耗最低地目的，選擇最優的光學傳感器驅動方式；

●   行為偵測與運動補償：檢測人體的運動狀態，包括休息、跑步、騎行等，同時對生理指標檢測進行運動補償；

●   心率檢測：包括心率與心率變化率
；

●   血氧飽和度檢測：適用於手腕、額頭和耳朵等部位，這是測量睡眠質量的基礎指標；

 

高級應用算法：

 

●   睡眠質量和睡眠狀態

；

●   血壓：目前隻支持指尖方案
，精度可達FDA測量標準

；

●   呼吸率
；

… …

 

基於不同測試部位的算法方案

 

圖5. 算法方案

 

如圖5所示，基於不同的測試部位，搭配不同的光學測量傳感器
，Maxim推出了4種不同的算法方案
，以滿足客戶根據需求：

 

●   MAX32664 A版本：搭配光學測量模組MAX30101/2
，實現基於指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)和血氧飽和度(SPO2)的測量。

●   MAX32664 D版本：搭配光學測量模組MAX30101/2，實現基於指尖的心率(HR)
、心率變化率(HRV)、血氧飽和度(SPO2)和血壓趨勢(BPT)的測量。

●   MAX32664 B版本：搭配光學測量模擬前端(AFE) MAX86140/1,  實現基於手腕或額頭的多項生理指標測量
，包括：心率、心率變化率、步數
、卡路裏計算、行為類別檢測等。

●   MAX32664 C版本：搭配光學測量模擬前端(AFE) MAX86140/1,  實現基於手腕或額頭的多項生理指標測量，包括：心率、心率變化率、血氧飽和度、步數

、卡路裏計算、行為類別檢測等。

 

Sensor Hub超功耗應用設計

 

表1. MAX32664 模式與功耗

 

●   MAX32664有兩種供電方式，如表1 所示，不同的供電方式，MAX32664 在active 模式中
，功耗有較大差別。在主機供電靈活可行的基礎上，建議選擇雙供電方式。

●   得益於Maxim算法團隊高效的算法設計和MAX32664強大的運算能力，MAX32664可以在很短的時間內計算出算法結果
，並自動進入超低功耗的deep sleep 模式。如表2所示，sensor hub 的平均計算時間均<5%，平均功耗都<0.8mW，最低可達0.43mW。

●   MAX32664進入deep sleep 模式後
，主控隻需要拉低睡眠喚醒引腳MFIO即可做喚醒
，操作方便實現。 

 

表2. MAX32664 平均功耗

 

(VDD: 1.8V, VCORE:1.1V, CPU 時鍾: 96MHZ, Sensor Hub測量間隔：1秒/次)

 

算法在線升級

 

MAX32664在出廠前

，均已經燒錄支持I2C接口的bootloader，支持在線燒錄升級功能。產品上市後
，Maxim新推出或更優化的算法仍然可以得到升級。

 

參考文獻

 

1. MAX32664數據手冊

https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX32664.pdf

2. MAX30101數據手冊

https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30101.pdf

3. MAX86140數據手冊

https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX86140.pdf

4. MAX32664用戶指南

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6806

 

 

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