第二代可穿戴設備背后的傳感器

人口正在老齡化，越來越多的人需要醫(yī)療保健支持，這對醫(yī)療保健的整體支出產(chǎn)生了重大影響。因此，當局和健康保險公司更加重視預防、健康意識和生活方式。這不僅僅是鍛煉更多或更好的營養(yǎng)攝入量，而且一般來說，人們對監(jiān)測某些重要的身體參數(shù)更感興趣。這就是為什么智能和健康手表業(yè)務的公司在過去幾年中收入增長的原因。

購買健康手表和測量身體參數(shù)并不意味著您以更健康的方式生活。訣竅在于，您需要在較長時間內(nèi)監(jiān)測某些身體參數(shù)，以熟悉這些數(shù)字，并使用它們來調(diào)整您的日常生活以改善。這個過程可以幫助您更好地了解身體的運作方式以及如何長期降低健康成本。

本文介紹了ADI公司最新的可穿戴VSM平臺和所使用的傳感器技術。ADI不是最終產(chǎn)品的制造商。然而，該平臺旨在作為參考，幫助電子設計師和系統(tǒng)架構(gòu)師加快開發(fā)過程，同時為專業(yè)和醫(yī)療市場設計新的、更智能、更準確的可穿戴設備。

我們在測量什么？如何以及在哪里？

使用可穿戴設備可以測量各種重要參數(shù)。根據(jù)總體目標，某些參數(shù)比其他參數(shù)更重要?？纱┐髟O備在身體上的位置對可以測量和不能測量的內(nèi)容有很大的影響。最明顯的位置是手腕。我們習慣于在手腕上佩戴設備，這就是為什么市場上有這么多產(chǎn)品（如智能手表和腕戴式設備）的原因。除了在手腕上測量外，頭部是可穿戴設備的另一個好位置。例如，耳機和耳塞提供不同的樣式，其中包含嵌入式傳感器，用于測量心率、血氧飽和度和溫度等參數(shù)?？纱┐髟O備在身體上的第三個位置是胸部。第一代心率監(jiān)測器是圍繞胸帶設計的，這種生物電位測量方法仍然是一種非常準確的技術。不過，今天我們傾向于使用胸貼，因為表帶佩戴起來不是很舒服。幾家制造商參與了智能貼片的設計，以監(jiān)測重要參數(shù)。

根據(jù)身體位置的不同，我們不僅要選擇可以測量哪些參數(shù)，還要選擇應該使用什么技術。例如，對于心率測量，生物電位測量是最古老的技術之一。信號很強，很容易通過使用兩個或多個電極從體內(nèi)檢索。對于這種方法，將電路集成到胸帶或耳機中是完美的。然而，在手腕等單個點測量生物電位信號幾乎是不可能的。您需要測量產(chǎn)生這些電信號的整個心臟。對于單點測量，光學技術更為合適。光被發(fā)送到組織中，由于動脈中的血流，其反射被捕獲和測量。從這個光學接收信號中，可以檢索逐拍信息。這項技術聽起來相當簡單，但是，有幾個挑戰(zhàn)和影響因素會使設計變得非常困難，例如運動和環(huán)境光。

ADI公司第二代可穿戴設備參考平臺具有上述大多數(shù)技術。該設備設計為戴在手腕上。但是，您也可以取下軟腰帶并將設備連接到胸部以將其用作智能貼片。該設備包括支持生物電位測量、光學心率測量、生物阻抗測量、運動跟蹤和溫度測量的技術，所有這些都集成在一個微型電池供電設備中。

基本信息

ADI公司為何設計像第二代可穿戴設備這樣的系統(tǒng)？像這樣的系統(tǒng)的目標是能夠評估各種傳感技術，并以簡單的方式測量身體上的幾個重要參數(shù)。這些測量結(jié)果可以存儲到閃存中，也可以通過BLE無線連接發(fā)送到智能設備。由于測量是同時進行的，因此它還可以幫助找到多個參數(shù)之間的相關性。生物醫(yī)學工程師、算法提供商和企業(yè)家一直在尋找新技術、應用和用例，以便在早期階段檢測疾病，以盡量減少后期可能對身體產(chǎn)生的負面影響或損害。

傳感器正在制造設備

該設備圍繞兩個PCB設計，這些PCB堆疊成三明治。主板包含一個低功耗處理器、一個BLE無線電和完整的電源管理部分，包括電池調(diào)節(jié)和充電。第二塊板支持所有傳感技術。

用于PPG測量（光電容積描記圖）的光學系統(tǒng)圍繞ADI公司的第二代光學模擬前端ADPD107構(gòu)建。ADPD系列的框圖如圖2所示。

圖2.ADPD105/ADPD106/ADPD107的框圖。

ADPD107用作完整的收發(fā)器，驅(qū)動系統(tǒng)中的LED，并測量來自光電二極管的返回信號。目標是測量給定的LED電流消耗量（電流傳輸比）盡可能高的光電流。輸入接收信號鏈圍繞可配置的跨阻放大器設計，增益可以四級編程，最高可達200k。第二階段負責環(huán)境光抑制。環(huán)境光干擾源是一個大問題，尤其是在調(diào)制光時，例如帶有LED或節(jié)能燈的固態(tài)照明系統(tǒng)。環(huán)境光抑制模塊包含一個帶通濾波器，后跟一個積分器，以支持同步解調(diào)。這是一個關鍵功能，可以非常有效地抑制外部光干擾。無論出于何種原因，當不需要環(huán)境光抑制級時，可以完全繞過該模塊。

光學系統(tǒng)利用光脈沖。有三個LED電流源，完全可編程。最大 LED 電流可編程，最高可達 370 mA。此外，脈沖寬度是可編程的，可以窄至1 μs。但是，為了獲得良好的信號響應，脈沖寬度應在2 μs至3 μs左右。通常，當模數(shù)轉(zhuǎn)換器對與脈沖LED發(fā)射脈沖相關的光電二極管接收信號進行采樣時，會給出一系列LED脈沖。數(shù)字引擎能夠平均多個樣本，以增加整體有效位數(shù)。

除了光學系統(tǒng)，機械設計也對整體性能有重大影響。在該第二代器件中，光學元件被選為分立器件。這在光電二極管選擇和LED波長以及機械約束（如LED和光電二極管之間的間距）方面提供了很大的靈活性。第二代器件支持兩個綠色 LED、一個紅色 LED 和一個紅外 LED。對于那些在設計光學系統(tǒng)方面沒有太多經(jīng)驗的人來說，集成一個完整的光學模塊可能更容易。

在光電二極管的數(shù)量、尺寸和 LED 波長的選擇方面有不同的口味。最新的模塊的開發(fā)方式使得即使安裝在塑料窗口后面，它們也能顯示出出色的光學性能。第一代需要分體窗來抑制內(nèi)部光污染，這可以看作是光學串擾。分體式窗口有助于減少直流偏置，直接來自 LED 的光線不會滲透到機身中。這樣的拆分窗口不容易集成，從成本的角度來看也沒有吸引力。最新的系列，如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ，已經(jīng)有了實質(zhì)性的改進，即使只有一個完整的窗口，ILP效應也幾乎為零。

生物電位測量由兩個獨立的AD8233模擬前端支持。AD8233（見圖3）是ADI公司的第二代單導聯(lián)ECG前端，具有嵌入式右腿驅(qū)動（RLD）功能，設計用于在嘈雜環(huán)境中提取、放大和濾波小生物電位信號。該組件的重點應用是可穿戴設備、便攜式家庭護理系統(tǒng)和健身器材。AD8233采用直流耦合配置。輸入級分為2個增益級。增益有限的第一級之后是二階高通濾波器和第二增益級。該輸入模塊的總增益為100 V/V，其中包括減去電極半電池電位導致的失調(diào)。AD8233中的第二級與三階低通濾波器組合在一起。它是二階Sallen Key在統(tǒng)一中工作，然后是一個額外的低通濾波器。該過濾器的目的是抑制來自肌肉活動的所有與肌電圖相關的信號。

圖3.AD8233 ECG前端框圖

生物電勢前端的工作頻率取決于用例。對于只需要QRS檢測的正常心率監(jiān)測器，與需要更多信息的ECG監(jiān)護儀相比，工作頻率范圍要小得多，例如P波與QRS波與T波的時間和幅度數(shù)據(jù)。AD8233的目標頻帶可通過外部電阻和電容進行配置。為了支持靈活性，第二代可穿戴設備將ECG前端連接到嵌入式電極，配置在運動帶寬中，支持7 Hz至25 Hz的目標頻段。第二個AD8233可與外部電極組合工作，配置為監(jiān)控0.5 Hz至40 Hz的信號。原則上，幾乎可以選擇任何帶寬。但是，這需要通過更改 R 和 C 設置來修改硬件。

根據(jù)所需的精度，AD8233輸出可以發(fā)送到傳感器板上Cortex-M3處理器中嵌入的12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，也可以通過獨立的16位AD7689 SAR ADC進行數(shù)字化。可以做出權衡，具體取決于精度或電池壽命。?

在設備的背面，你會發(fā)現(xiàn)兩個電極。這些具有雙重功能。除了心電圖測量外，這些還可用于皮膚電活動（EDA）。

EDA或皮膚電反應（GSR）與皮膚的電導率有關，皮膚的電導率會因情緒而暫時改變，來自內(nèi)部或外部刺激 - 例如，由于壓力或癲癇，皮膚阻抗變化。第二代設備能夠檢測到電導率的微小變化。該系統(tǒng)利用交流激勵信號，該信號施加在兩個干電極上。濕電極也可以使用，而且會更好。然而，該設備僅使用兩個嵌入式干式不銹鋼電極。使用交流激勵信號的主要優(yōu)點是不會使電極極化。接收信號鏈代表一個跨阻放大器，后接16位SAR ADC的AD7689。出于性能原因，ADC采樣速率遠高于激勵速率。ADC輸出后跟在ADuCM3029處理器上運行的分立式傅里葉變換（DFT）引擎，以表示復阻抗。如上所述的測量原理能夠以高信噪比測量皮膚阻抗或皮膚電導，并很好地抑制50 Hz/60 Hz的環(huán)境噪聲。圍繞該測量原理的電路完全由分立元件構(gòu)成。做出這種設計決策的主要原因是在相當?shù)偷墓南聦崿F(xiàn)靈活性和精度。與此同時，ADI正在開發(fā)一款支持上述應用的新芯片。它以最小的功耗提供高水平的精度。ADuCM350也支持類似的測量，盡管該芯片未針對功耗敏感型應用進行優(yōu)化。

可穿戴設備對于測量重要參數(shù)毫無價值，而無需了解人體在做什么。因此，運動檢測和剖析非常重要。光學心率監(jiān)測等一些用例對運動非常敏感，運動會完全破壞測量的準確性。因此，還需要跟蹤運動以補償偽影。運動傳感器將有助于跟蹤運動，并在需要時，可以在讀數(shù)的最終結(jié)果中補償運動。ADXL362是目前功耗最低的運動傳感器。它具有一個集成 12 位 ADC 的 3 軸 MEMS 傳感器，用于檢測 X、Y 和 Z 軸上的運動。ADC的輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）代表傳感器的功耗，在每軸400 Hz的全ODR下為3 μA。圖4顯示了功耗與輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)關系圖。

圖4.ADXL362的功耗與輸出數(shù)據(jù)速率的關系。

該傳感器也可用作運動激活開關。有可能將采樣率降低到僅6 Hz。每 150 毫秒，傳感器就會喚醒并測量運動活動。不動，它會直接回到睡眠狀態(tài) 150 毫秒。目前，在等于或高于預編程閾值水平的g力下檢測到運動，并且至少在編程的最短時間內(nèi)，傳感器產(chǎn)生中斷或使能電源開關以打開應用程序。在這種模式下，傳感器僅消耗300 nA，并且可以使用單個紐扣電池運行數(shù)年。總結(jié)的所有用例使運動傳感器成為可穿戴設備中的必備品。

溫度傳感是另一個重要參數(shù)。這就是為什么第二代可穿戴設備嵌入了兩個溫度傳感器。腕戴式設備使用NTC來測量皮膚溫度和設備內(nèi)部的溫度 - 有多種方法可以通過接觸身體的傳感器測量溫度。NTC由分立電路供電和調(diào)理，16位ADC最終將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。ADI公司提供各種精度級別的溫度傳感器。GEN II溫度傳感器之所以采用分立式構(gòu)建，是因為無論如何都可以使用ADC等多種功能，因此設計人員盡可能重復使用多個模塊，以減少冗余并節(jié)省額外功耗。

ADuCM3029，萬物融合

第二代設備使用兩個處理器。這并不是絕對需要這樣做，而是為了提供更大的靈活性。帶有BLE無線電的接口板有一個處理器，傳感器板上使用相同的設備，以便能夠自主運行。

集成了超低功耗ADuCM3029，用于收集傳感器數(shù)據(jù)并運行算法。圖 5 概述了處理器中的集成模塊。

圖5.集成ADuCM3029模塊。

內(nèi)核是一個26 MHz Cortex-M3，具有豐富的外設集、板載存儲器和模擬前端。有 4 種工作模式，在完全運行時，芯片每 MHz 消耗 38 μA。在不需要處理能力的情況下，設備可以在靈活模式下運行。在這種工作模式下，模擬前端運行，外設處于活動狀態(tài)，測量信號可以通過DMA存儲在存儲器中。此模式僅消耗300 μA，因此該芯片對于低功耗電池供電系統(tǒng)非常有吸引力。嵌入了多種用于代碼保護的安全功能，并嵌入了用于加密功能的硬件加速器。

用例的選擇

第二代可穿戴設備可用于多種用途。傳感器可以集成到智能手表中，但功能范圍，包括準確的心率監(jiān)測和活動測量/卡路里燃燒，對運動手表也很有幫助。智能手表和運動手表之間的權衡主要在精度與電池壽命之間進行權衡。

該設備可用于測量壓力或情緒狀態(tài)。通常使用測量的組合來獲得可靠的讀數(shù)，例如皮膚阻抗以及心率變異性和溫度。

血壓監(jiān)測是另一個有趣的用例。這是一個非常重要的參數(shù)，但大多數(shù)系統(tǒng)都是基于袖帶的，很難集成到可穿戴和連續(xù)系統(tǒng)中。有一些技術可以用來測量血壓，而無需袖帶。一種技術是利用脈沖波傳輸時間（PTT）。這需要心電圖測量與PPG測量相結(jié)合。第二代可穿戴設備內(nèi)部的傳感器可以支持這一點。

最后一個關鍵市場與老年人護理和獨立生活有關。對可以幫助護理人員遠程監(jiān)控某些參數(shù)的系統(tǒng)的需求巨大。這款可穿戴設備支持所需的 95% 的功能。該系統(tǒng)監(jiān)控幾個重要參數(shù)。它可以跟蹤人們是否在移動或行走，但也能夠檢測跌倒?？纱┐髟O計中缺少的部分是緊急按鈕，但這是將處理器上的一個I / O引腳連接到設備頂部的開關的問題。

從原型到產(chǎn)品

第二代設備在小型可穿戴系統(tǒng)中嵌入了許多高性能傳感器和功能。除了電子設計外，還考慮了許多機械方面。這使得該平臺對專注于半職業(yè)體育市場、醫(yī)療市場以及涉及智能建筑、獨立生活或老年護理系統(tǒng)的設計公司和設備制造商非常有吸引力。所有參數(shù)都可以同時測量，但算法需要補充應用程序以支持用例。該設備不是在測試和驗證算法之前構(gòu)建硬件，而是為開發(fā)人員和設備制造商提供快速入門。GEN II器件數(shù)量有限，ADI非常有興趣與設計公司和算法提供商合作開發(fā)最先進的系統(tǒng)，銷售給專業(yè)護理人員和健康保險公司。

審核編輯：郭婷