基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測(cè)量方案

本文介紹MAX32664超低功耗微控制器作為生物識(shí)別傳感器中樞測(cè)量心率、血氧、SpO2、睡眠、壓力等。Maxim的生物測(cè)量算法與傳感器中樞集成，精確到美國FDA標(biāo)準(zhǔn)，提供原始或處理后的數(shù)據(jù)，輕松減輕主機(jī)微控制器的負(fù)載。

介紹

基于光電容積脈搏波（PPG）技術(shù)的光學(xué)測(cè)量解決方案在日益流行的可穿戴市場(chǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛。Maxim Integrated推出了一些全面的光學(xué)生物傳感解決方案，旨在支持這些設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)功能。本文介紹這些傳感器方案，重點(diǎn)介紹Maxim集成光學(xué)人體生理指標(biāo)測(cè)量算法和MAX32664低功耗生物識(shí)別傳感器集線器的性能和優(yōu)勢(shì)。

Maxim提供完整的光學(xué)生物傳感解決方案

用于可穿戴設(shè)備的完整光學(xué)生物傳感解決方案，包括四個(gè)主要部分：

性能卓越的傳感器：Maxim Integrated推出了一系列適用于人耳、手腕、指尖、額頭、腹部和其他測(cè)量身體部位的光學(xué)測(cè)量傳感器。這些傳感器測(cè)量生理特征，如心率 （HR）、心率變異性 （HRV）、血壓趨勢(shì) （BPT） 和血氧飽和度 （SpO2).該系列產(chǎn)品具有小尺寸、低功耗和高信噪比（SNR）的特點(diǎn)，可為測(cè)量系統(tǒng)提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

高性能、高精度人體生理指標(biāo)測(cè)量算法：Maxim Integrated算法團(tuán)隊(duì)完成基本生理指標(biāo)（HR、HRV、SpO）的測(cè)量2和BPT），并確定算法輸出精度可以滿足美國食品和藥物管理局（FDA）的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。此外，Maxim算法還可以創(chuàng)建支持高級(jí)應(yīng)用的輸出，如行為和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)以及睡眠監(jiān)測(cè)?？蛻艨梢詾樘囟☉?yīng)用選擇不同的算法模塊。所有算法都集成在MAX32664低功耗生物傳感器集線器中，使主機(jī)微控制器單元（MCU）可以自由地執(zhí)行系統(tǒng)中的其他任務(wù)，并消除所有類型的算法許可負(fù)擔(dān)。

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)仿真和驗(yàn)證：生理特征的測(cè)量需要涵蓋不同的人群，以及膚色、體毛、血容量和其他可能影響測(cè)量結(jié)果的差異性生物因素的差異。光學(xué)測(cè)量方法在結(jié)構(gòu)上容易受到環(huán)境光的干擾，其微小信號(hào)也會(huì)受到硬件設(shè)計(jì)中其他高頻信號(hào)的干擾的影響。這些因素大大增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難度。Maxim Integrated可以提供完整的設(shè)計(jì)規(guī)范和參考設(shè)計(jì)，以支持結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)過程?？蛻糁恍栊薷膮⒖荚O(shè)計(jì)即可完成定制設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

專業(yè)的臨床驗(yàn)證指導(dǎo)：美信集成在產(chǎn)品開發(fā)過程中積累了豐富的臨床驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，與世界各地的權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)保持著良好的合作關(guān)系。這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)可用于指導(dǎo)客戶進(jìn)行相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的臨床驗(yàn)證和認(rèn)證。

回顧一下，Maxim Integrated 完整的光學(xué)生物傳感開發(fā)解決方案為客戶提供了選擇產(chǎn)品功能的靈活性，從而大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和驗(yàn)證時(shí)間。他們還可以將解決方案無縫集成到自己的開發(fā)平臺(tái)中，從而縮短上市時(shí)間。

傳感器集線器簡(jiǎn)介

MAX32664是Maxim集成人體生理指數(shù)測(cè)量方案的一部分，具有用于可穿戴設(shè)備的嵌入式固件和算法。它可無縫實(shí)現(xiàn)客戶所需的傳感器功能，包括與Maxim集成光學(xué)傳感器解決方案通信以及輸出原始數(shù)據(jù)或算法數(shù)據(jù)。主機(jī)只需通過I讀取MAX32664的輸出2C接口獲得所需的生物特征測(cè)量結(jié)果。圖2給出了系統(tǒng)框圖。

圖2.系統(tǒng)框圖。

圖3.MAX32664硬件框圖

傳感器集線器的硬件介紹

MAX32664是Maxim集成的下一代超低功耗MCU之一。MAX32664（圖3）具有以下特點(diǎn)：

卓越的計(jì)算能力：超低功耗的 Arm Cortex-M4 MCU，帶有浮點(diǎn)單元 （FPU） 和最高工作時(shí)鐘 （96MHz）。??

高集成度：內(nèi)置 256KB 閃存、96KB RAM、16KB 指令緩存和 14 個(gè)通用 I/O 引腳。

外設(shè)資源：一個(gè) SPI/I2用于與傳感器通信的 C 接口和一個(gè) I2C接口，用于與主機(jī)通信;實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （RTC） 和 UART 支持。

微小尺寸：WLP（1.6 毫米 x 1.6 毫米 x 0.65 毫米）。

超低功耗：45μW/MHz @ 工作模式，85nW/KB @ 數(shù)據(jù)保留模式。

豐富的高性能算法

圖4.算法模塊框圖。

Maxim集成算法團(tuán)隊(duì)在生理指標(biāo)算法方面已經(jīng)孜地工作了五年多。它開發(fā)了豐富的基礎(chǔ)和高級(jí)應(yīng)用算法。算法團(tuán)隊(duì)在這方面有一個(gè)長(zhǎng)期規(guī)劃，不僅要不斷優(yōu)化現(xiàn)有算法，還要開發(fā)新的應(yīng)用算法。上述算法模塊可以集成到MAX32664傳感器中樞，主機(jī)通過I讀取算法結(jié)果2C接口，大大縮短了開發(fā)周期。此外，每個(gè)傳感器集線器變體都有參考設(shè)計(jì)，可顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并立即收集數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

算法模塊（圖 4）具有：

基本算法：

模擬前端（AFE）管理：控制光傳感，計(jì)算信號(hào)質(zhì)量，在不犧牲算法精度的情況下實(shí)現(xiàn)最低功耗，并選擇最佳的光傳感器驅(qū)動(dòng)模式。

行為檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：對(duì)休息、跑步、騎行等基本活動(dòng)進(jìn)行分類，并對(duì)生理指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

心率檢測(cè)：心率和心率。

SpO2測(cè)量：適用于手腕、額頭和耳朵等。這是衡量睡眠質(zhì)量的基本指標(biāo)。

高級(jí)應(yīng)用算法：

睡眠質(zhì)量和狀態(tài)。

BPT測(cè)量：現(xiàn)在僅支持指尖解決方案，精度可達(dá)FDA測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。呼吸頻率。

Maxim Integrated推出了四種不同的算法解決方案，基于不同的測(cè)試站點(diǎn)和不同的光學(xué)測(cè)量傳感器，以滿足客戶需求（圖5）：

MAX32664 A版本：采用MAX30101/2光學(xué)測(cè)量模塊，可測(cè)量心率、心率和色差2從指尖。

MAX32664 D版本：使用MAX30101/2光學(xué)測(cè)量模塊，測(cè)量心率、心率、色差2，以及指尖的 BPT。

MAX32664 B版本：配備MAX86140/1光學(xué)測(cè)量AFE，該版本根據(jù)手腕或前額測(cè)量多種生理指標(biāo)，包括HR、HRV、計(jì)步、卡路里計(jì)算和行為分類。

MAX32664 C版本：配備MAX86140/1光學(xué)測(cè)量AFE，可根據(jù)手腕或前額測(cè)量多種生理指標(biāo)，包括心率、心率、SpO2、步數(shù)計(jì)算、卡路里計(jì)算和行為分類。

使用傳感器集線器設(shè)計(jì)超低功耗應(yīng)用

表 1.MAX32664模式和功耗（單位：mW）

MAX32664支持兩種供電方式（表1）。采用不同的供電方式，MAX32664在有源模式下的功耗大不相同。如果主機(jī)的電源靈活可行，請(qǐng)選擇雙電源模式。

得益于Maxim集成算法團(tuán)隊(duì)的高效算法設(shè)計(jì)和MAX32664的高計(jì)算能力，MAX32664可以在很短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出算法結(jié)果，并自動(dòng)進(jìn)入超低功耗深度睡眠模式。表2顯示傳感器中樞的平均計(jì)算時(shí)間小于5%，平均功耗低于0.8mW，降至0.43mW。

MAX32664進(jìn)入深度睡眠模式后，主機(jī)只需下拉睡眠喚醒引腳MFIO即可喚醒，易于實(shí)現(xiàn)。

（五DD： 1.8V， V核心： 1.1V， CPU 時(shí)鐘： 96MHZ， 傳感器集線器測(cè)量間隔： 1s）

算法在線升級(jí)

MAX32664具有出廠設(shè)置的引導(dǎo)加載程序，支持I2C接口，允許算法的在線升級(jí)。換句話說，生物識(shí)別傳感器中樞可以在出廠后升級(jí)到新的或更優(yōu)化的算法。

審核編輯：郭婷