隨著互聯(lián)健康概念的興起，醫(yī)療智能穿戴設(shè)備市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，根據(jù)市場(chǎng)研究公司Counterpoint Research調(diào)查指出,，疫情促使消費(fèi)者健康意識(shí)提高,，這更使得醫(yī)療智能穿戴設(shè)備受到市場(chǎng)青睞,，增長(zhǎng)幅度不斷攀高,。
本次我們通過技術(shù)型分銷商Excelpoint世健邀請(qǐng)了來自專業(yè)醫(yī)療智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域企業(yè)的工程師馮工跟大家分享實(shí)戰(zhàn)案例。該公司是世健多年的客戶,，主要從事醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品研發(fā),、生產(chǎn)、銷售及服務(wù),。而馮工有著深厚的學(xué)術(shù)和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),。
項(xiàng)目需求
? 可穿戴產(chǎn)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(xù)監(jiān)測(cè)心率功能,；
? 有連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度功能；
? 計(jì)步功能,，能存一個(gè)月以上的數(shù)據(jù)量，掉電不丟失,。
心率監(jiān)測(cè)方案
心率監(jiān)測(cè)可基于心電信號(hào)檢測(cè),，人體心臟的周期性跳動(dòng)是有生物電信號(hào)精密控制的，只要能夠捕捉到心電信號(hào),，就能計(jì)算心率,，但是心電檢測(cè)需要獲取人體多處電位，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、方案成本高,。有一種方案是諧振式檢測(cè)方案,，傳感器感應(yīng)動(dòng)脈搏動(dòng)的壓力變化，從而統(tǒng)計(jì)出心率,。但該方案的實(shí)現(xiàn)需要將設(shè)備放置于人體脈搏明顯的部位,，對(duì)于可穿戴設(shè)備佩戴方式將是一種挑戰(zhàn)。還有一種方案是光電式檢測(cè),，基本原理是血液會(huì)反射紅光而吸收綠光,。心臟跳動(dòng)時(shí)，流經(jīng)皮膚的血液會(huì)增加,，吸收的綠光也會(huì)增加,；心跳間隔期，血液在血管中流量減少隨之吸收綠光減少,。當(dāng)設(shè)備使用綠色LED,，配合對(duì)光敏感的光電傳感器，就可以檢測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)流經(jīng)人體皮膚各處的血液流量,，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，以每次血流量的最高點(diǎn)作為一次周期，這樣就可以計(jì)算心率,。并且可以將設(shè)備設(shè)計(jì)成手表形態(tài),，方便的戴于手腕處。
基于光電式的心率監(jiān)測(cè)方案（也稱光電容積脈搏波描記法PPG）,，硬件上需要有光源驅(qū)動(dòng),、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理等模塊,。一般光源驅(qū)動(dòng)我們選擇恒流源（需要可以微調(diào)電流和一定的頻率開關(guān)）,；光電轉(zhuǎn)換選擇光電二極管然后用運(yùn)放進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理；最后用A/D芯片實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換并送至MCU進(jìn)行處理,。硬件方案如果采用分立器件,，那么芯片數(shù)量較多，并且空間受限,，所以最好還是采用集成器件,。ADI公司擁有多功能光電式測(cè)量前端芯片（型號(hào)：ADPD105），完全集成式AFE,、ADC,、LED 驅(qū)動(dòng)器和時(shí)序內(nèi)核， 提供一流的環(huán)境光抑制性能,，無需光電二極管濾光器,；靈活的數(shù)字接口SPI,、I2C 可供選擇；功耗低,，1.8 V模擬/數(shù)字超低工作電源,，待機(jī)模式僅0.3μA電流，適合電池供電的設(shè)備,；靈活的采樣頻率范圍：0.122 Hz ~3820 Hz,；多達(dá)3個(gè)LED恒流源，每通道峰值電流達(dá)370mA,；擁有WLCSP芯片級(jí)封裝,，極致的小體積適合空間受限應(yīng)用。其內(nèi)部功能框圖如圖1,。
圖1
血氧飽和度監(jiān)測(cè)方案
光電容積脈搏波描記法（PPG）不僅可以用于心率檢測(cè),，通過一定算法處理也可測(cè)量血氧，為無創(chuàng)式血氧監(jiān)測(cè)提供了很好的方案,。
原理：由于氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）這兩種物質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性,。Hb對(duì)600 ~ 800nm之間的光吸收系數(shù)更高，HbO2對(duì)800~1000之間光的吸收系數(shù)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(cè)HbO2和Hb的PPG信號(hào),，再通過程序處理算出相應(yīng)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(qū)動(dòng)紅光LED和近紅外LED,，另外一通道恒流源驅(qū)動(dòng)綠光LED用于心率檢測(cè)，對(duì)于光接受器可以使用同一個(gè),，分時(shí)復(fù)用,，分別去采集心率信號(hào)和血氧信號(hào)，在最少的器件下高效完成數(shù)據(jù)采集,，綜合成本最低,。另外近期關(guān)注的ADI新產(chǎn)品ADPD410X，是ADPD系列比較新的產(chǎn)品,，它同時(shí)擁有8路LED驅(qū)動(dòng)光路和8路的數(shù)據(jù)采集通道,，更高的集成度和采樣精度，同時(shí)支持PPG,，ECG和EDA的測(cè)量,。它能作為本案的功能拓展方案。
計(jì)步功能方案
計(jì)步方案使用最多的就是三軸加速度傳感器,，通過算法識(shí)別行走時(shí)的三軸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。本方案是基于可穿戴設(shè)備,，因此芯片的功耗,、體積成為重要考慮因素。ADXL363是一款超低功耗的3個(gè)傳感器組合產(chǎn)品,，由3軸MEMS加速度計(jì),、溫度傳感器和用于同步轉(zhuǎn)換外部信號(hào)的ADC輸入端組成。整個(gè)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz時(shí)功耗低于2μA,，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA,；1.6~3.5V工作電源范圍，便捷的兼容其他器件的電源,；ADXL363還提供針對(duì)內(nèi)部ADC的訪問,，可同步轉(zhuǎn)換外部的模擬輸入。緊湊型的LGA封裝非常符合可穿戴式設(shè)備應(yīng)用,。其內(nèi)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(dòng)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(guān)斷模式（可選RTC活動(dòng)）：<60nA（典型值）；集成MPU的ARM? Cortex?-M3處理器,，高性能內(nèi)核處理算法游刃有余,；集成ECC的256 KB嵌入式閃存，方便存儲(chǔ)離線數(shù)據(jù),；較低的電壓供電（1.74V至3.6V）可以允許使用紐扣電池,；片內(nèi)外設(shè)SPI、UART,、IIC,、Timer、DAC,、DMA,、Watchdog應(yīng)有盡有，方便使用,；內(nèi)置32kHz振蕩器和26MHz高頻振蕩器,，也支持外部時(shí)鐘源；擁有兩種緊湊型WLCSP/LFCSP可供選擇,，適用于體積空間受限的應(yīng)用,。
另外可利用高性能的ADuCM4050作為高端升級(jí)版本的選擇，它擁有更好的性能和更低功耗在休眠和關(guān)斷模式下,，在：活動(dòng)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(guān)斷模式（可選RTC活動(dòng)）：<50nA（典型值）,；ARM Cortex-M4F處理器,，52 MHz,，并帶FPU, MPU, ITM, SWD接口，兼容性更強(qiáng),，EEC的升級(jí)至512KB,，方便存儲(chǔ)更多的離線數(shù)據(jù)；
電源方案
可穿戴式設(shè)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是一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒流/恒壓線性充電器,，由于外形尺寸?。―FN封裝2mm*2mm），能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)低充電電流,，因而非常適用于低容量鋰電池,；而且可以通過USB標(biāo)準(zhǔn)取電工作；還有強(qiáng)大的充電異常保護(hù)功能：自動(dòng)再充電,、低電池電量充電調(diào)節(jié)（涓流充電）,、軟器動(dòng)功能（用于限值涌入電流）。
方案中MCU,、加速度傳感器,、模擬前端芯片都可以工作在1.8V范圍，對(duì)于鋰電池的3.7V還需要LDO用于降壓,。由于有模擬電路,，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),，超高電源抑制比（最低79 dB @1MHz）,；超低的工作壓降（350mV）；輸出可調(diào)（0~15V）,；緊湊型DFN封裝（3mm*3mm）,。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM),、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,，為新的科技與趨勢(shì)作出定位,，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡,、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè),、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。
世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡,，擁有約650名員工,，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡,、馬來西亞、泰國(guó),、越南,、中國(guó)、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過11億美元,。1993年,，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù),。目前,，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國(guó)主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì),、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位,。