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項目需求

 

●    可穿戴產品尺寸小，要求器件選型封裝小、集成度高；

●    超低功耗
，可充電電池供電；

●    有連續監測心率功能；

●    有連續監測血氧飽和度功能
；

●    計步功能，能存一個月以上的數據量，掉電不丟失。

●    心率監測方案

 

心(xin)率(lv)監(jian)測(ce)可(ke)基(ji)於(yu)心(xin)電(dian)信(xin)號(hao)檢(jian)測(ce)，人(ren)體(ti)心(xin)髒(zang)的(de)周(zhou)期(qi)性(xing)跳(tiao)動(dong)是(shi)有(you)生(sheng)物(wu)電(dian)信(xin)號(hao)精(jing)密(mi)控(kong)製(zhi)的(de)，隻(zhi)要(yao)能(neng)夠(gou)捕(bu)捉(zhuo)到(dao)心(xin)電(dian)信(xin)號(hao)，就(jiu)能(neng)計(ji)算(suan)心(xin)率(lv)
，但(dan)是(shi)心(xin)電(dian)檢(jian)測(ce)需(xu)要(yao)獲(huo)取(qu)人(ren)體(ti)多(duo)處(chu)電(dian)位(wei)，硬(ying)件(jian)實(shi)現(xian)複(fu)雜(za)
、方案成本高。有一種方案是諧振式檢測方案，傳感器ganyingdongmaibodongdeyalibianhua，congertongjichuxinlv。dangaifangandeshixianxuyaojiangshebeifangzhiyurentimaibomingxiandebuwei，duiyukechuandaishebeipeidaifangshijiangshiyizhongtiaozhan。haiyouyizhongfanganshiguangdianshijiance，jibenyuanlishixueyehuifanshehongguangerxishoulvguang。xinzangtiaodongshi，liujingpifudexueyehuizengjia
，xishoudelvguangyehuizengjia；心跳間隔期，血液在血管中流量減少隨之吸收綠光減少。當設備使用綠色LED，配pei合he對dui光guang敏min感gan的de光guang電dian傳chuan感gan器qi
，就jiu可ke以yi檢jian測ce任ren意yi時shi間jian點dian流liu經jing人ren體ti皮pi膚fu各ge處chu的de血xue液ye流liu量liang，通tong過guo統tong計ji數shu據ju，以yi每mei次ci血xue流liu量liang的de最zui高gao點dian作zuo為wei一yi次ci周zhou期qi，這zhe樣yang就jiu可ke以yi計ji算suan心xin率lv。並bing且qie可ke以yi將jiang設she備bei設she計ji成cheng手shou表biao形xing態tai
，方fang便bian的de戴dai於yu手shou腕wan處chu。

 

基於光電式的心率監測方案（也稱光電容積脈搏波描記法PPG），硬件上需要有光源驅動、光電轉換、模數轉換數據處理等模塊。一般光源驅動我們選擇恒流源（需要可以微調電流和一定的頻率開關）；光電轉換選擇光電二極管然後用運放進行流壓轉換和信號調理；最後用A/D芯片實現模擬量的數字轉換並送至MCU進行處理。硬件方案如果采用分立器件
，那麼芯片數量較多，並且空間受限，所以最好還是采用集成器件。ADI公司擁有多功能光電式測量前端芯片（型號：ADPD105），完全集成式AFE、ADC、LED 驅動器和時序內核， 提供一流的環境光抑製性能，無需光電二極管濾光器；靈活的數字接口SPI、I2C 可供選擇

；功耗低
，1.8 V模擬/數字超低工作電源，待機模式僅0.3μA電流
，適合電池供電的設備；靈活的采樣頻率範圍：0.122 Hz ~3820 Hz
；多達3個LED恒流源，每通道峰值電流達370mA
；擁有WLCSP芯片級封裝，極致的小體積適合空間受限應用。其內部功能框圖如圖1。

 

圖1

 

血氧飽和度監測方案

 

光電容積脈搏波描記法（PPG）不僅可以用於心率檢測

，通過一定算法處理也可測量血氧，為無創式血氧監測提供了很好的方案。

 

原理：由於氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）這兩種物質對波長600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性。Hb對600 ~ 800nm之間的光吸收係數更高，HbO2對800~1000之間光的吸收係數更高。所以可以利用紅光（600 ~ 800nm）和接近紅外（IR）（800 ~ 1000nm）的光分別檢測HbO2和Hb的PPG信號，再通過程序處理算出相應的比值，這樣就得到了血氧值。

 

利用ADPD105其中兩通道LED恒流源分別驅動紅光LED和近紅外LED
，另外一通道恒流源驅動綠光LEDyongyuxinlvjiance，duiyuguangjieshouqikeyishiyongtongyige

，fenshifuyong，fenbiequcaijixinlvxinhaohexueyangxinhao，zaizuishaodeqijianxiagaoxiaowanchengshujucaiji
，zonghechengbenzuidi。lingwaijinqiguanzhudeADI新產品ADPD410X，是ADPD係列比較新的產品，它同時擁有8路LED驅動光路和8路的數據采集通道

，更高的集成度和采樣精度，同時支持PPG

，ECG和EDA的測量。它能作為本案的功能拓展方案。

 

計步功能方案

 

計(ji)步(bu)方(fang)案(an)使(shi)用(yong)最(zui)多(duo)的(de)就(jiu)是(shi)三(san)軸(zhou)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，通(tong)過(guo)算(suan)法(fa)識(shi)別(bie)行(xing)走(zou)時(shi)的(de)三(san)軸(zhou)動(dong)態(tai)數(shu)據(ju)
，即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)計(ji)步(bu)功(gong)能(neng)。本(ben)方(fang)案(an)是(shi)基(ji)於(yu)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)，因(yin)此(ci)芯(xin)片(pian)的(de)功(gong)耗(hao)、體積成為重要考慮因素。ADXL363是一款超低功耗的3個傳感器組合產品，由3軸MEMS加速度計
、溫度傳感器和用於同步轉換外部信號的ADC輸入端組成。整個係統輸出數據速率為100 Hz時功耗低於2µA


，在運動觸發喚醒模式下功耗為270 nA；1.6~3.5V工作電源範圍，便捷的兼容其他器件的電源
；ADXL363還提供針對內部ADC的訪問
，可同步轉換外部的模擬輸入。緊湊型的LGA封裝非常符合可穿戴式設備應用。其內部功能框圖如圖2。

 

圖2

 

MCU選型

 

本方案MCU選型需要兼顧高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029擁有超低功耗特性：活動模式（完全開啟模式）：< 30μA/MHz（典型值）
，休眠模式（帶SRAM保留）：<750nA（典型值），關斷模式（可選RTC活動）：<60nA（典型值）；集成MPU的ARM® Cortex®-M3處理器，高性能內核處理算法遊刃有餘
；集成ECC的256 KB嵌入式閃存

，方便存儲離線數據；較低的電壓供電（1.74V至3.6V）可以允許使用紐扣電池；片內外設SPI、UART
、IIC、Timer

、DAC、DMA、Watchdog應有盡有
，方便使用
；內置32kHz振蕩器和26MHz高頻振蕩器，也支持外部時鍾源；擁有兩種緊湊型WLCSP/LFCSP可供選擇，適用於體積空間受限的應用。

 

另外可利用高性能的ADuCM4050作為高端升級版本的選擇，它擁有更好的性能和更低功耗在休眠和關斷模式下，在：活動模式（完全開啟模式）：< 41μA/MHz（典型值）
，休眠模式（帶SRAM保留）：<650nA（典型值），關斷模式（可選RTC活動）：<50nA（典型值）；ARM Cortex-M4F處理器，52 MHz，並帶FPU, MPU, ITM, SWD接口，兼容性更強
，EEC的升級至512KB，方便存儲更多的離線數據；

 

電源方案

 

可穿戴式設備需要可充電電源
，一般選用鋰電池
，因此需要鋰電池管理芯片。LTC4065L是一款用於單節鋰電池的完整恒流/恒壓線性充電器，由於外形尺寸小（DFN封裝2mm*2mm）
，能夠準確地調節低充電電流，因而非常適用於低容量鋰電池；而且可以通過USB標準取電工作；還有強大的充電異常保護功能：自動再充電、低電池電量充電調節（涓流充電）、軟器動功能（用於限值湧入電流）。

 

方案中MCU

、加速度傳感器、模擬前端芯片都可以工作在1.8V範圍，對於鋰電池的3.7V還需要LDO用於降壓。由於有模擬電路
，故需選擇盡量低噪聲的LDO。LT 3042擁有超低噪聲0.8µVRMS(10 Hz~100 kHz)
，超高電源抑製比（最低79 dB @1MHz）；超低的工作壓降（350mV）；輸出可調（0~15V）；緊湊型DFN封裝（3mm*3mm）。

 

 

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