當每一μA都發(fā)揮其作用！

測量多個參數(shù)，讀數(shù)準確，電池壽命長，— 這些對于可穿戴健康設備而言最重要。

自從10年前第一臺計步器上市以來，已發(fā)生很大變化。最初，測量僅關注計步功能。十年來的研究結果表明，每天走路10000步，即可保持卡路里攝入和消耗平衡。同時，可穿戴設備增加了其他功能和特性，例如測量心率、心率變化、體溫和皮膚電導率?？纱┐髟O備最初是為體育和健康目的而設計，但現(xiàn)在正慢慢進入醫(yī)療市場。隨著這種轉變，我們必須更加依賴測量的準確性和電池的壽命的長短。一塊電池能夠維持設備運轉的時間越長，越容易為用戶所用。

本文介紹一款新一代可穿戴設備產(chǎn)品，包括如何提高您的系統(tǒng)可靠性和能效的技巧和提示。

用于心率測量的PPG

說到身體健康，我們身體中最重要的器官就是心臟?？梢詫⑺暈槿梭w系統(tǒng)的發(fā)動機。沒有運行良好的心臟，我們將會面臨嚴重的健康問題。為此原因監(jiān)測心臟功能是重中之重。當每分鐘心臟跳動數(shù)超出正常值時，我們有充分的理由檢查我們的心率。除此之外，我們可以通過心臟的活動頻率獲取大量的心臟行為信息。當身體需要進行更多活動時，心率加快，為細胞帶來更多的營養(yǎng)和含氧血。持續(xù)高心率和心率快速變化不是好事，這可能表示存在房顫等心臟疾病。

除了監(jiān)測心臟頻率，還有另外一個參數(shù)，稱為心率變異性（HRV）。當人們放松時，他們的每分鐘心跳數(shù)并非固定不變，心跳頻率會略有變化，在每分鐘±3次范圍內(nèi)。這種變化表明處于放松狀態(tài)。當人們緊張或受驚嚇時，體內(nèi)的腎上腺素水平上升，心臟開始以無變化頻率跳動。因此監(jiān)測HRV參數(shù)很重要。

獲取心臟信號的經(jīng)典方法是生物電測量心電圖（ECG）。但是，要將其集成于可穿戴設備中并不容易。

測量心率的趨勢，除了利用生物電，還可利用光學原理。這項技術已經(jīng)存在了很長時間，稱為光電血管容積圖（PPG）。PPG技術主要應用于測量血液中的血氧飽和度（SPO2）的系統(tǒng)中。SPO2測量，則是通過身體特定部位（通常是手指或耳垂）發(fā)射兩種不同波長的光，測量氧合血紅蛋白百分比和血紅蛋白總量。由于這項技術也可以測量心率，所以在可穿戴設備中應用廣泛，例如小型腕戴式設備，與生物電測量不同，它可使用單點測量拾取心率。ADI公司的ADPD174是一種用于支持這些應用的光學子系統(tǒng)（參見圖1）。

圖1.ADPD174，采用單封裝的6.5 mm × 2.8 mm 光學系統(tǒng)。

反射和透射

很多人都熟悉SPO2測量，這可以通過線夾固定在手指或耳垂上來實現(xiàn)。光是通過身體的某一部分發(fā)送，并在另一端用光電二極管測量接收到的信號。我們利用這種傳輸技術測量接收到的或不吸收的光量。這項技術的工作原理在信號性能和功耗方面為同類最佳。但是，在可穿戴系統(tǒng)中集成透射測量也并非易事，因為對于可穿戴系統(tǒng)，舒適非常關鍵。因此，反射測量更為常用。在反射光學系統(tǒng)中，光被發(fā)送至組織的表面，一部分被紅細胞吸收，其余的光反射回組織表面，由光傳感器測量。在反射系統(tǒng)中，接收信號最高不超過60 dB，所以我們需要多加注意發(fā)送和接收信號鏈的電氣和光學方面。

電子和機械挑戰(zhàn)

心臟跳動期間，血流量發(fā)生變化，導致接收到的反射光發(fā)生散射。用來測量PPG信號的光的波長會隨各種因素而有所不同，—首先是測量類型。在本文中，我們將測量限制在心率及其變化范圍內(nèi)。對于該測量，所需的波長不僅取決于所測量的身體位置，還取決于相關血流灌注水平、組織溫度和組織的色調。一般對于腕戴式設備，動脈不位于手腕頂端，您需要從皮膚表層下的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量。在這些應用中使用綠光使我們能夠更好地接收。在血流充足的地方，如上臂、太陽穴、或耳道，紅光或紅外會更加有效，它可以更深地穿透組織，—尤其是對于電池電量和尺寸總是個難題的可穿戴式應用，紅光或IR LED帶來了額外的優(yōu)勢，它們只需要較低的正向電壓。對于使用紐扣式電池的應用，這些LED可直接由電池電壓驅動。

2 當每一μA都發(fā)揮其作用！

圖2.所需LED正向電壓與LED電流。

遺憾的是，綠色LED需要更高的正向電壓，所以需要額外的升壓轉換器，這將對您系統(tǒng)的總功耗帶來不利影響。圖2顯示了不同顏色LED所需的正向電壓與電流的函數(shù)關系。如果仍需綠色LED，ADP2503降壓/升壓轉換器可以幫助支持更高的LED正向電壓，通過輸入電壓可以達到最高5.5 V，也可低至2.3 V。

在權衡考慮時，如傳感器位置和LED顏色，下一步是選擇最合適的光學解決方案。關于模擬前端有很多選擇，分立式或全集成式，也提供大量光傳感器和LED可供選擇。為最大程度減輕設計工作量并縮短上市時間，ADI構建了全集成式光學子系統(tǒng)，用于反射光學測量。即ADPD174，內(nèi)含進行光學測量所需的全部器件。圖3為ADPD174子系統(tǒng)框圖。該模塊尺寸為6.5 mm × 2.8 mm，對于可穿戴系統(tǒng)極具吸引力。

該模塊采用一個大型光電二極管、兩個綠色LED和一個IR LED。板載混合信號ASIC包括模擬信號處理模塊、SAR型ADC、數(shù)字信號處理模塊、I2C通信接口和三個可編程LED電流源。

系統(tǒng)驅動LED并使用其1.2 mm2光電二極管測量相應的光學返回信號。利用可穿戴設備測量PPG面臨的最大挑戰(zhàn)就是克服環(huán)境光和運動產(chǎn)生偽像的干擾。環(huán)境光會對測量結果產(chǎn)生極大的影響。陽光并不是很難抑制，但是來自熒光燈和節(jié)能燈的特殊光包含交流分量，較難消除。ADPD174光學模塊具有兩級環(huán)境光照抑制功能。在光傳感器和輸入放大器級之后，集成帶通濾波器，后接同步解調器，可提供一流的抑制環(huán)境光和最高100 kHz直流電干擾功能。ADC具有14位分辨率和最高255的脈沖值，共可獲得20位測量分辨率。累加多個樣本則可實現(xiàn)最高27位的分辨率。

例如，ADPD174以兩個獨立時隙運行，以測量兩個不同的波長并可按順序執(zhí)行結果。在每個時隙期間，執(zhí)行完整的信號路徑，從LED激勵開始，然后捕獲光信號和處理數(shù)據(jù)。

圖3.ADPD174光學子系統(tǒng)框圖。

每個電流源能夠驅動電流高達250 mA的LED。創(chuàng)新的LED脈沖控制方式保持較低的平均功耗，在很大程度上有助于節(jié)省系統(tǒng)的功耗和電池壽命。

這種LED驅動電路的優(yōu)點是，它是動態(tài)可擴展的。很多因素都會影響接收光學信號的信噪比（SNR），如膚色或傳感器與皮膚間的毛發(fā)，這些都會影響接收端的靈敏度。因此，激勵LED配置非常方便，可用于構建自適應系統(tǒng)。所有時序和同步都由模擬前端處理，因此不會增加系統(tǒng)微處理器的任何開銷。正常情況下，您可以使用ADPD174以約一毫瓦功率電平執(zhí)行可靠的心率監(jiān)測。為了找到這個工作點，我們可以調諧跨阻放大器（TIA）的增益，并結合設置最大LED峰值電流。優(yōu)化LED電流和TIA增益后，我們可以增加LED脈沖的數(shù)量來獲取更多信號。請注意，增加LED峰值電流即按比例增加SNR，而增加n倍脈沖數(shù)量，僅會導致n平方根（√n）的SNR改善。

找到心率設備的最佳設置在很大程度上也依賴于用戶。用戶的膚色以及設備位置、溫度和血液流動都會影響信號強度。計算功耗時，光學前端可以看做兩個獨立的功率因素，IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數(shù)字狀態(tài)機消耗的電流。這些功率值在很大程度上依賴ADC的采樣率。LED電流ILED將隨人體膚色和傳感器在身體上位置而變化。對于深膚色，則需要更多的LED電流，當傳感器位于身體血液流動少的位置時也需要更多LED電流。平均LED電流隨LED驅動脈沖寬度、脈沖數(shù)量和ADC采樣時間變化。平均LED電流是最大LED電流乘以脈沖寬度和脈沖的數(shù)量?？蓪⑦@視為一個時隙，每當獲得新樣本時重復一次。脈沖寬度可窄至1 μs。

若要在手腕上實現(xiàn)良好的心率測量，當使用兩個寬度為1 μs的脈沖時，LED峰值電流需要達到125 mA。對于100 Hz采樣頻率，平均LED驅動需要25 μA。當我們增加250 μA平均AFE電流時，光學前端消耗275 μA （@ 3 V = 825 μW）。

其他機械挑戰(zhàn)

我們討論了進行光學系統(tǒng)設計面對的其中一項挑戰(zhàn)：環(huán)境光干擾。另一個大難題是在反射模式光學系統(tǒng)中解決內(nèi)部光污染問題。在一個設計完美的系統(tǒng)中，LED發(fā)出的所有光都被發(fā)送至組織，且僅能看到反射光并由光傳感器進行測量。但在現(xiàn)實中，LED燈光會被外殼上的透明窗反射，并在未穿透標綠的光路徑組織的情況下直接送回光傳感器（參見圖4）。

圖4.內(nèi)部光污染說明。

這種ILP效應導致直流失調，并將限制信號的交流分量，也稱為調制指數(shù)（MI）。實際上，MI是我們唯一感興趣的信號。ILP可通過分離窗口解決，—但是，實現(xiàn)批量生產(chǎn)非常困難和昂貴。ADPD174可以解決這個問題。它具有特殊設計的外殼，無需分離外殼上的透明窗，即可減少ILP行為。圖5中顯示ADPD174與其前代產(chǎn)品相比，ILP減少和LED電流函數(shù)關系的改進情況。這是與市場上其他分立式或集成式設備相比的另一優(yōu)勢。

圖5.ADPD174 ILP影響與其前代產(chǎn)品。

您的系統(tǒng)總功耗

在光學系統(tǒng)中，除了光照干擾，還需要消除運動造成的干擾。運動會影響可穿戴系統(tǒng)的總體性能，由于運動，機械連接或與組織的接觸狀態(tài)會改變，造成光學讀數(shù)誤差。因此，測量設備的運動并彌補干擾造成的影響是很重要的。ADI超低功耗3軸ADXL362 MEM傳感器完全支持這些需求。傳感器測量所有三軸并集成12位SAR ADC，使靈敏度達到每個LSB只有1 mg，并能夠通過數(shù)字SPI接口進行通信。功耗與ADC采樣率成比例，每軸數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz，傳感器功耗僅為1.8 μA。它可采用3 mm × 3 mm封裝?！^ADXL362，新一代產(chǎn)品仍在開發(fā)中，僅使用ADXL362 PCB面積的四分之一。

缺了“粘合劑”！

到目前為止，我們已經(jīng)討論了構建監(jiān)測心率和心率變化的可穿戴健康設備所需的各種傳感器。還缺的是系統(tǒng)的核心，將所有這些傳感器連接在一起，運行所需軟件算法并存儲、可視化或傳輸結果的部分。ADI公司最新推出的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex?-M3處理器，能夠支持所有這些需求。它是一款超低功耗、混合信號微控制器，處理功能的功耗《 38 μA每MHz。該處理器具有最大26 MHz的時鐘頻率，能夠在四種不同的功率模式下運行，參見表1。

表1.功率模式ADuCM3027/29

混合信號前端包括12位SAR型ADC、基準電壓緩沖和溫度傳感器。電路板上有128 kB或256 kB的板載閃存，4 kB高速緩存和64 kB的SRAM。在防止未經(jīng)授權用戶通過外部接口讀取設備內(nèi)容方面已經(jīng)做出了極大努力。這對于設備制造商保護其代碼和算法具有巨大的價值。最后，ADuCM302x可在1.8 V到3.6 V間的單操作電壓下運行，1.2 V的內(nèi)核電壓可由板載LDO或其更高效的開關電容降壓轉換器生成。

要將測量結果無線上傳至主機處理器，需要消耗系統(tǒng)大量電能。預處理測量結果將有助于減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。這能夠節(jié)省更多電能。

讓您的健康設備自學

在前面的段落中，您已經(jīng)了解到ADI高度重視傳感器和混合信號解決方案，重點關注高性能和低功耗。利用這些芯片和子系統(tǒng)可以針對健康以及運動和保健市場需求創(chuàng)建相關設備，這些設備僅憑單顆紐扣電池供電，即可運行很長時間。面對的挑戰(zhàn)始終是構建的系統(tǒng)要具有足夠高的性能，同時功耗盡可能低。自適應算法有助于提高整體性能并找到最有效的系統(tǒng)低功耗位置。每次使用設備時，可以小幅更改設置，以達到最佳SNR性能和功耗量的相關HRM精度。

作者簡介

Jan-Hein Broeders是ADI公司負責歐洲、中東和非洲業(yè)務的醫(yī)療保健業(yè)務開發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療保健行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場領先的線性和轉換器技術和數(shù)字信號處理與電源產(chǎn)品。Jan-Hein 20年前開始投身半導體行業(yè)，擔任Burr-Brown模擬現(xiàn)場應用工程師，負責Benelux和Scandinavia。在德州儀器收購Burr-Brown五年后，他加入了ADI公司，擔任飛利浦全球現(xiàn)場應用工程師（FAE）。自2008年起，他開始從事目前的醫(yī)療保健業(yè)務開發(fā)工作。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學的電氣工程學士學位。