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
、xueyerongliangdengyinsudouyouchayi
，zhehuiyingxiangceliangdejieguo。guangxueceliangfangfa，zaijiegoushangrongyishoudaohuanjingguangdeganrao，zaiyingjianshejishangqiweixiaodexinhaorongyishoudaoqitagaopinxinhaodeganrao。zhexieyinsudouhuidadazengjiachanpinshejinandu。Maxim在(zai)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)和(he)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)上(shang)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)完(wan)整(zheng)的(de)設(she)計(ji)規(gui)範(fan)和(he)參(can)考(kao)設(she)計(ji)，客(ke)戶(hu)隻(zhi)要(yao)在(zai)參(can)考(kao)設(she)計(ji)上(shang)做(zuo)簡(jian)單(dan)的(de)修(xiu)改(gai)，即(ji)可(ke)完(wan)成(cheng)客(ke)製(zhi)化(hua)設(she)計(ji)
，大(da)大(da)減(jian)小(xiao)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)。

 

●   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guoI2C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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