【有奖问答】实战分享：医疗智能穿戴设备硬件方案

● 可穿戴产品尺寸小，要求器件选型封装小、集成度高；

● 超低功耗，可充电电池供电；

● 有连续监测心率功能；

● 有连续监测血氧饱和度功能；

● 计步功能，能存一个月以上的数据量，掉电不丢失。

心率监测可基于心电信号检测，人体心脏的周期性跳动是有生物电信号精密控制的，只要能够捕捉到心电信号，就能计算心率，但是心电检测需要获取人体多处电位，硬件实现复杂、方案成本高。有一种方案是谐振式检测方案，传感器感应动脉搏动的压力变化，从而统计出心率。但该方案的实现需要将设备放置于人体脉搏明显的部位，对于可穿戴设备佩戴方式将是一种挑战。还有一种方案是光电式检测，基本原理是血液会反射红光而吸收绿光。心脏跳动时，流经皮肤的血液会增加，吸收的绿光也会增加；心跳间隔期，血液在血管中流量减少随之吸收绿光减少。当设备使用绿色LED，配合对光敏感的光电传感器，就可以检测任意时间点流经人体皮肤各处的血液流量，通过统计数据，以每次血流量的最高点作为一次周期，这样就可以计算心率。并且可以将设备设计成手表形态，方便的戴于手腕处。

基于光电式的心率监测方案（也称光电容积脉搏波描记法PPG），硬件上需要有光源驱动、光电转换、模数转换数据处理等模块。一般光源驱动我们选择恒流源（需要可以微调电流和一定的频率开关）；光电转换选择光电二极管然后用运放进行流压转换和信号调理；最后用A/D芯片实现模拟量的数字转换并送至MCU进行处理。硬件方案如果采用分立器件，那么芯片数量较多，并且空间受限，所以最好还是采用集成器件。ADI公司拥有多功能光电式测量前端芯片（型号：ADPD105），完全集成式AFE、ADC、LED 驱动器和时序内核，提供一流的环境光抑制性能，无需光电二极管滤光器；灵活的数字接口SPI、I2C 可供选择；功耗低，1.8 V模拟/数字超低工作电源，待机模式仅0.3μA电流，适合电池供电的设备；灵活的采样频率范围：0.122 Hz ~3820 Hz；多达3个LED恒流源，每通道峰值电流达370mA；拥有WLCSP芯片级封装，极致的小体积适合空间受限应用。其内部功能框图如图1。

图1

光电容积脉搏波描记法（PPG）不仅可以用于心率检测，通过一定算法处理也可测量血氧，为无创式血氧监测提供了很好的方案。

原理：由于氧合血红蛋白（HbO2）和血红蛋白（Hb）这两种物质对波长600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性。Hb对600 ~ 800nm之间的光吸收系数更高，HbO2对800~1000之间光的吸收系数更高。所以可以利用红光（600 ~ 800nm）和接近红外（IR）（800 ~ 1000nm）的光分别检测HbO2和Hb的PPG信号，再通过程序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧值。

利用ADPD105其中两通道LED恒流源分别驱动红光LED和近红外LED，另外一通道恒流源驱动绿光LED用于心率检测，对于光接受器可以使用同一个，分时复用，分别去采集心率信号和血氧信号，在最少的器件下高效完成数据采集，综合成本最低。另外近期关注的ADI新产品ADPD410X，是ADPD系列比较新的产品，它同时拥有8路LED驱动光路和8路的数据采集通道，更高的集成度和采样精度，同时支持PPG，ECG和EDA的测量。它能作为本案的功能拓展方案。

计步方案使用最多的就是三轴加速度传感器，通过算法识别行走时的三轴动态数据，即可实现计步功能。本方案是基于可穿戴设备，因此芯片的功耗、体积成为重要考虑因素。ADXL363是一款超低功耗的3个传感器组合产品，由3轴MEMS加速度计、温度传感器和用于同步转换外部信号的ADC输入端组成。整个系统输出数据速率为100 Hz时功耗低于2µA，在运动触发唤醒模式下功耗为270 nA；1.6~3.5V工作电源范围，便捷的兼容其他器件的电源；ADXL363还提供针对内部ADC的访问，可同步转换外部的模拟输入。紧凑型的LGA封装非常符合可穿戴式设备应用。其内部功能框图如图2。

图2 

本方案MCU选型需要兼顾高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029拥有超低功耗特性：活动模式（完全开启模式）：< 30μA/MHz（典型值），休眠模式（带SRAM保留）：<750nA（典型值），关断模式（可选RTC活动）：<60nA（典型值）；集成MPU的ARM® Cortex®-M3处理器，高性能内核处理算法游刃有余；集成ECC的256 KB嵌入式闪存，方便存储离线数据；较低的电压供电（1.74V至3.6V）可以允许使用纽扣电池；片内外设SPI、UART、IIC、Timer、DAC、DMA、Watchdog应有尽有，方便使用；内置32kHz振荡器和26MHz高频振荡器，也支持外部时钟源；拥有两种紧凑型WLCSP/LFCSP可供选择，适用于体积空间受限的应用。

另外可利用高性能的ADuCM4050作为高端升级版本的选择，它拥有更好的性能和更低功耗在休眠和关断模式下，在：活动模式（完全开启模式）：< 41μA/MHz（典型值），休眠模式（带SRAM保留）：<650nA（典型值），关断模式（可选RTC活动）：<50nA（典型值）；ARM Cortex-M4F处理器，52 MHz，并带FPU, MPU, ITM, SWD接口，兼容性更强，EEC的升级至512KB，方便存储更多的离线数据； 

可穿戴式设备需要可充电电源，一般选用锂电池，因此需要锂电池管理芯片。LTC4065L是一款用于单节锂电池的完整恒流/恒压线性充电器，由于外形尺寸小（DFN封装2mm*2mm），能够准确地调节低充电电流，因而非常适用于低容量锂电池；而且可以通过USB标准取电工作；还有强大的充电异常保护功能：自动再充电、低电池电量充电调节（涓流充电）、软器动功能（用于限值涌入电流）。

方案中MCU、加速度传感器、模拟前端芯片都可以工作在1.8V范围，对于锂电池的3.7V还需要LDO用于降压。由于有模拟电路，故需选择尽量低噪声的LDO。LT 3042拥有超低噪声0.8µVRMS(10 Hz~100 kHz)，超高电源抑制比（最低79 dB @1MHz）；超低的工作压降（350mV）；输出可调（0~15V）；紧凑型DFN封装（3mm*3mm）。