當(dāng)我還是個(gè)小男孩的時(shí)候，媽媽總是不停地叮囑我要帶夠零錢，以防在遇到緊急情況時(shí)需要打電話。二十年后，移動(dòng)電話使我們能夠隨時(shí)隨地?fù)艽螂娫?。又?jīng)過(guò)20 年的創(chuàng)新后，語(yǔ)音通話已不再是手機(jī)這款智能設(shè)備的主要功能，它不僅可以拍攝美麗的照片、播放音頻和視頻流文件，而且還提供各種各樣的服務(wù)——現(xiàn)在還逐漸成為我們的私人教練。配備傳感器或者連接到穿戴式傳感器后，這些設(shè)備可用來(lái)監(jiān)控日?；顒?dòng)和個(gè)人健康狀況。在不斷增強(qiáng)的健康意識(shí)推動(dòng)下，人們開始關(guān)注測(cè)量生命體征參數(shù)——如心率、體溫、血氧飽和度、血壓、活動(dòng)水平(運(yùn)動(dòng)量)和脂肪燃燒量——以及追蹤這些參數(shù)的日常變化趨勢(shì)。

現(xiàn)在，裝有多個(gè)傳感器的通用傳感器前端可監(jiān)控這些參數(shù)。最大的挑戰(zhàn)是最大程度地縮小尺寸并延長(zhǎng)電池使用壽命。本文討論面向迅猛增長(zhǎng)的可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)的解決方案。

最重要的生命體征信號(hào)

沒(méi)了心跳，我們就會(huì)有大麻煩，因此，脈搏或心率至今仍是我們需監(jiān)控的最重要的參數(shù)。除了每分鐘心跳次數(shù)以外，我們還想檢查心臟行為與活動(dòng)量的關(guān)系。心律也非常重要，因?yàn)榭焖僮兓男穆适切呐K疾病的征兆。

心率和心臟活動(dòng)監(jiān)護(hù)通常是使用心電圖(ECG)測(cè)量生理電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。連接到身體上的電極可測(cè)量心臟組織中心電的信號(hào)的活動(dòng)。專業(yè)的診斷系統(tǒng)便是基于此原理，測(cè)量時(shí)胸部和四肢最多可連接10個(gè)電極。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關(guān)詳細(xì)信息。

圖1. AD8232單導(dǎo)聯(lián)ECG前端

單導(dǎo)聯(lián)ECG在體育界的應(yīng)用越來(lái)越普遍，其使用雙電極胸帶來(lái)測(cè)量心臟活動(dòng)。雖然可檢測(cè)到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測(cè)量心率。這些胸帶穿戴起來(lái)并不舒服，因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運(yùn)動(dòng)衫上。AD8232 單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀前端(如圖1 所示)就是專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)的。該器件內(nèi)置增益為100 V/V 的儀表放大器和一個(gè)高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的高頻分量(EMG 信號(hào))。此低功耗前端功耗為170μA，可與16位片上計(jì)量?jī)xADuCM350配合使用，進(jìn)行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG 測(cè)量。

測(cè)量心率的新方法

心率測(cè)量的新趨勢(shì)是光電容積圖(PPG)，這是一種無(wú)需測(cè)量生物電 信號(hào)就能獲得心臟功能信息的光學(xué)技術(shù)。PPG 主要用于測(cè)量血氧 飽和度(SpO2)，但也可不進(jìn)行生物電信號(hào)測(cè)量就提供心臟功能信 息。借助PPG 技術(shù)，心率監(jiān)護(hù)儀可集成到手表或護(hù)腕等可穿戴設(shè) 備上。由于生理電勢(shì)法的信號(hào)電平極其微弱，所以無(wú)法做到這 一點(diǎn)。

在光學(xué)系統(tǒng)中，光從皮膚表面投射出來(lái)。再由光電傳感器測(cè)量紅細(xì)胞吸收的光量。隨著心臟跳動(dòng)，不斷變化的血容量使接收到的光量分散開來(lái)。在手指或耳垂上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于這些部位有相當(dāng)多的動(dòng)脈血，使用紅光或紅外光源可獲得最佳精度。不過(guò)，手腕表層很少有動(dòng)脈存在，腕部穿戴式設(shè)備必須通過(guò)皮膚表層下面的靜脈和毛細(xì)血管來(lái)檢測(cè)脈動(dòng)分量，因此綠光效果會(huì)更好。

ADPD142光學(xué)模塊(如圖2所示)具備完整的光度測(cè)量前端，并集成光電傳感器、電流源和LED。該器件專為測(cè)量反射光而設(shè)計(jì)，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)PPG測(cè)量。所有元件都封裝在一個(gè)小小的模塊上。

圖2. ADPD142光學(xué)模塊

使用光學(xué)VSM所面臨的挑戰(zhàn)

利用腕部穿戴式設(shè)備測(cè)量PPG面臨的主要挑戰(zhàn)來(lái)自環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。陽(yáng)光產(chǎn)生的直流誤差相對(duì)而言比較容易消除，但日光燈和節(jié)能燈發(fā)出的光線都帶有可引起交流誤差的頻率分量。模擬前端使用兩種結(jié)構(gòu)來(lái)抑制DC至100 kHz的干擾信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后，14位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)將信號(hào)數(shù)字化，再通過(guò)I2C接口發(fā)送到微處理器進(jìn)行最終后處理。

同步發(fā)送路徑與光接收器并行集成在一起。其獨(dú)立的電流源可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單獨(dú)的LED，電流電平最多可編程至250 mA。LED電流是脈沖電流，脈沖長(zhǎng)度在微秒級(jí)，因此可保持較低的平均功耗，從而最大程度地延長(zhǎng)電池使用壽命。

LED驅(qū)動(dòng)電路是動(dòng)態(tài)電路且可即時(shí)配置，因此不受各種環(huán)境條件影響，例如環(huán)境光、穿戴者皮膚和頭發(fā)的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液，這些都會(huì)降低靈敏度。激勵(lì)LED 配置非常方便，可用于構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有時(shí)序和同步均由模擬前端處理，因此不會(huì)增加系統(tǒng)處理器的任何開銷。

ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG集成紅光LED和綠光LED，用于支持光學(xué)心率監(jiān)護(hù);ADPD142RI集成紅光LED和紅外LED，用于進(jìn)行血氧飽和度(SpO2)測(cè)量。)

運(yùn)動(dòng)的影響

運(yùn)動(dòng)也會(huì)干擾光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)光學(xué)心率監(jiān)護(hù)儀用于睡眠研究時(shí)，這可能不是問(wèn)題，但如果在鍛煉期間穿戴，運(yùn)動(dòng)腕表和護(hù)腕將很難消除運(yùn)動(dòng)偽像。光學(xué)傳感器(LED和光電檢測(cè)器)和皮膚之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)降低光信號(hào)的靈敏度。此外，運(yùn)動(dòng)的頻率分量也可能會(huì)被視為心率測(cè)量，因此，必須測(cè)量該運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)備與人體相貼越緊密，這種影響就越小，但采用機(jī)械方式消除這種影響幾乎是不可能的。

我們可使用多種方法來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)。其中一種是光學(xué)方法，即使用多個(gè)LED波長(zhǎng)。共模信號(hào)表示運(yùn)動(dòng)，而差分信號(hào)用來(lái)檢測(cè)心率。不過(guò)，最好是使用真正的運(yùn)動(dòng)傳感器。該傳感器不僅可準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，而且還可用于提供其他功能，例如跟蹤活動(dòng)、計(jì)算步數(shù)或者在檢測(cè)到特定g 值時(shí)啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用。

ADXL362 是一款微功耗、3 軸MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)，非常適合在電池供電型可穿戴應(yīng)用中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。內(nèi)置的12 位ADC可將加速度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，分辨率為1 mg。功耗隨采樣速率動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz 時(shí)功耗僅為1.8μA，在400 Hz時(shí)為3.0 μA。這些較高的數(shù)據(jù)速率對(duì)于用戶接口來(lái)說(shuō)非常有用，例如單擊/雙擊檢測(cè)。

對(duì)于在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)啟動(dòng)某個(gè)應(yīng)用的情況，則無(wú)需進(jìn)行高速采樣，因此可將數(shù)據(jù)速率降至6 Hz，此時(shí)平均功耗為300 nA。因而，對(duì)于低功耗應(yīng)用和不易更換電池的植入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，此傳感器非常有吸引力。ADXL362 采用3.0 mm × 3.25 mm 封裝。圖3顯示了不同電源電壓條件下電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系圖。

圖3. ADXL362電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

系統(tǒng)中各傳感器的連接

系統(tǒng)的核心是混合信號(hào)片上計(jì)量?jī)xADuCM350，它與所有這些傳感器相連，并負(fù)責(zé)運(yùn)行必要的軟件，以及儲(chǔ)存、顯示或傳送結(jié)果。該器件集成高性能模擬前端(AFE)和16 MHz ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，如圖4 所示。AFE 的靈活性和微處理器豐富的功能組合使此芯片成為便攜式應(yīng)用和可穿戴應(yīng)用的理想選擇。可配置的AFE 支持幾乎所有傳感器，其可編程波形發(fā)生器可使用交流或直流信號(hào)為模擬傳感器供電。高性能的接收信號(hào)鏈會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并使用無(wú)丟碼16 位160 kSPS ADC 將這些信號(hào)數(shù)字化。其中，后者的積分非線性(INL)/差分非線性(DNL)最大值為±1-LSB，。該接收信號(hào)鏈支持任何類型的輸入信號(hào)，包括電壓、電流、恒電勢(shì)、光電流和復(fù)阻抗。

圖4. 集成AFE的Cortex-M3

AFE可在獨(dú)立模式下工作，無(wú)需Cortex-M3處理器干預(yù)?？删幊虝r(shí)序控制器控制測(cè)量引擎，測(cè)量結(jié)果通過(guò)DMA 儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器內(nèi)。開始測(cè)量前，可執(zhí)行校準(zhǔn)程序，以校正發(fā)送和接收信號(hào)鏈中的失調(diào)和漂移誤差。對(duì)于復(fù)阻抗測(cè)量，如血糖、體質(zhì)指數(shù)(BMI)或組織鑒別應(yīng)用，內(nèi)置DSP 加速器可實(shí)現(xiàn)2048 點(diǎn)單頻離散傅里葉變換(DFT)，而無(wú)需M3 處理器干預(yù)。這些高性能AFE 功能使ADuCM350 具有其他集成解決方案無(wú)可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

Cortex 處理器支持多種通訊端口，包括I2S、USB、MIPI 和LCD顯示驅(qū)動(dòng)器(靜態(tài))。此外，它還包括閃存、SRAM 和EEPROM，并且支持五種不同的電源模式，可最大程度地延長(zhǎng)電池使用壽命。

ADuCM350 設(shè)計(jì)用于超低功耗傳感器，性能限制為低速器件。對(duì)于要求更高處理能力的應(yīng)用，可使用工作頻率高達(dá)80 MHz 的M3內(nèi)核或者Cortex-M4 處理器內(nèi)核。

功耗如何?

功耗一直是便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文介紹的設(shè)備在設(shè)計(jì)上要求性能高、尺寸小且功耗低，但在非常小的封裝內(nèi)集成所有一切器件(包括電池)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管新的電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了每mm3 更高的容量，但與電子產(chǎn)品相比，電池仍然體積較大。

能量采集可減小電池尺寸并延長(zhǎng)電池使用壽命。能量收集技術(shù)有多種，包括熱電、壓電、電磁和光電等技術(shù)。對(duì)于可穿戴設(shè)備，利用光和熱最為合適。傳感器通常不會(huì)產(chǎn)生大量輸出功率，因此每焦耳熱量都應(yīng)當(dāng)可以被捕獲和使用。ADP5090 超低功耗升壓調(diào)節(jié)器(如圖5 所示)橋接收集器和電池。此高效開關(guān)模式電源可將輸入電壓從低至100 mV 升高到3 V。冷啟動(dòng)期間，在電池完全放電的情況下，最小輸入電壓為380 mV，但在正常工作時(shí)，如果電池電量沒(méi)有完全耗盡或者還有一些電能留在超級(jí)電容內(nèi)，任何低至100 mV 的輸入信號(hào)都可轉(zhuǎn)換為較高的電位并儲(chǔ)存下來(lái)，以供稍后使用。

該芯片采用微型3 mm × 3 mm 封裝，并可進(jìn)行編程來(lái)支持各種不同的能量收集傳感器。最大靜態(tài)電流為250 nA，支持幾乎所有電池技術(shù)，從鋰離子電池到薄膜電池以及超級(jí)電容均可。集成式保護(hù)電路可確保其安全運(yùn)行。

圖5. ADP5090能量采集器

結(jié)論

本文介紹了一些用于可穿戴和個(gè)人健康應(yīng)用的低功耗產(chǎn)品，但這個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)正在快速變化。