基于AMS AS7000動(dòng)態(tài)心率測(cè)量智能手環(huán)原理及設(shè)計(jì)

引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和高性能低功耗處 理芯片的推出等，智能穿戴設(shè)備種類逐漸豐富，穿戴式智能 設(shè)備已經(jīng)從概念走向商用化，谷歌眼鏡、蘋果手表、三星智 能腕表、耐克的燃料腕帶、傳感器智能服、太陽(yáng)能充電背包 等穿戴式智能設(shè)備大量涌現(xiàn)，智能穿戴技術(shù)已經(jīng)滲透到健 身、醫(yī)療、娛樂(lè)、安全、財(cái)務(wù)等眾多領(lǐng)域。目前在國(guó)內(nèi)手環(huán) 市場(chǎng)上，自帶高精度心率檢測(cè)功能的智能手環(huán)也日趨成熟， 小米還推出過(guò)心率手環(huán)，其中心率模塊用的就是 AMS的動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)芯片AS7000。

1 系統(tǒng)總體方案介紹

如圖1基于AS7000心率手環(huán)系統(tǒng)框架所示，手環(huán)主要由 充電管理系統(tǒng)、三軸加速度傳感器LIS3DH的計(jì)步檢測(cè)運(yùn)動(dòng) 量信息系統(tǒng)、AS7000的動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)系統(tǒng)、觸摸、OLED顯 示、手機(jī)App藍(lán)牙信息交互系統(tǒng)共同組成。

1.1 充電管理系統(tǒng)

圖1 基于AS7000心率手環(huán)系統(tǒng)框架

STNS01芯片內(nèi)部集成了LDO穩(wěn)壓器和電池充電管理系統(tǒng)。它使用CC / CV算法給電池充電，充電電流可以使用一 個(gè)外部電阻來(lái)選擇，充電電流最大400mA，浮動(dòng)電壓值是4.2V。輸入電源電壓通常用來(lái)為充電電池和LDO穩(wěn)壓器提供電 力。當(dāng)一個(gè)有效的輸入電壓不存在并且電池存在的時(shí)候，設(shè) 備會(huì)自動(dòng)切換到電池供電。

STNS01電池充電管理系統(tǒng)集成了過(guò)度充電、過(guò)放電和 過(guò)電流保護(hù)電路，這樣可以有效地在故障條件下防止電池?fù)p 壞。它還有一個(gè)充電控制引腳控制停止充電，當(dāng)我們從外部 檢測(cè)電池過(guò)熱時(shí)。STNS0芯片在shutdown模式，電池電力消耗可以減少到500 nA，這樣可以最大化地保證電池壽命，尤其在貨架期間 或航運(yùn)期間。芯片的封裝尺寸只有3×3mm，為智能手環(huán)的 PCB 布局減少了很多的空間。

圖2 STNS01最小系統(tǒng)原理

如圖2所示，其中芯片1管腳IN：電池管理芯片電壓輸 入引腳。

芯片2管腳SYS：電池管理芯片3.1V輸出引腳，可以提供 電源，跟LDI輸出引腳類似。

芯片3管腳LDO：電池管理芯片3.1V輸出引腳，具體見(jiàn) 芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)描述。

芯片4管腳SD：LDO輸出控制引腳，默認(rèn)上拉使能。

芯片5管腳CHG：電池管理芯片錯(cuò)誤提示引腳，閃爍說(shuō) 明電源存在問(wèn)題。

芯片6管腳CEN：充電使能引腳，上拉使能。 芯片7管腳GND：地。 芯片8管腳NTC：外部熱敏電阻。 芯片9管腳ISET：充電電流控制引腳，接1kΩ電阻，電

流最大200mA。

圖3 三軸加速度傳感器LIS3DH最小系統(tǒng)原理圖

芯片10管腳BTMS：電池電壓輸出引腳，分壓之后一般 用來(lái)檢測(cè)電池端電壓。

芯片11管腳BATSNS：電池正極。

芯片12管腳BAT：電池正極。

1.2 三軸加速度傳感器

方案中， 我們用了2個(gè)三軸加速度傳感器， 其中一個(gè) 三軸加速度傳感器是做運(yùn)動(dòng)記錄的，我們可以使用傳感器 做計(jì)步、睡眠等算法；而另外一個(gè)三軸加速度傳感器是和 AS7000配合做動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)功能的。三軸加速度我們使用 的是意法半導(dǎo)體的LIS3DH，工作電流消耗最低位2uA，這款3×3×1mm的加速度傳感器最適合運(yùn)動(dòng)感應(yīng)功能、空間和功 耗受限的應(yīng)用設(shè)計(jì)，特別適合智能手環(huán)上的應(yīng)用。

LIS3DH 在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范圍內(nèi)，LIS3DH可提供非常 準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，在額定溫度和長(zhǎng)時(shí)間工作下，仍能保持卓越的穩(wěn)定性。本方案中，我們會(huì)使用LIS3DH完成計(jì)步功能的實(shí)現(xiàn)。計(jì)步器是一種日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以計(jì)算人們行走的步數(shù)，估計(jì)行走 距離、消耗的卡路里，方便人們隨時(shí)監(jiān)控自 己的健身強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)水平和新陳代謝。

如圖3所示，芯片4、6是作為I2C通訊引 腳，分別是對(duì)于I2C的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。

芯片第7引腳是LIS3DH芯片從機(jī)地址的 選擇，接地代表本機(jī)從機(jī)7位地址是0x18，芯 片第8引腳接高電平，代表選擇的是I2C通訊 接口，如果接地代表選擇SPI通訊接口。

芯片9、11管腳：分別對(duì)應(yīng)三軸傳感器 的中斷信號(hào)輸出引腳，一般用于數(shù)據(jù)緩存溢 出時(shí)的給MCU端的中斷信號(hào)，有利于我們?cè)?做計(jì)步算法 的時(shí)候管理MCU的功耗。

1.3 AS7000動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)系統(tǒng)

心率我們采用AMS的心率檢測(cè)芯片AS7000，該產(chǎn)品包含了高度集成的光學(xué)傳感 器和相關(guān)軟件算法。它可提供行業(yè)領(lǐng)先的高 精度光學(xué)心率測(cè)量（HRM）和心率變（HRV） 測(cè)量。AS7000的運(yùn)作基于光電容積脈搏波描記法（PPG）。心臟收縮和擴(kuò)張時(shí)流經(jīng)血 管血量的變化會(huì)引起血管的擴(kuò)張及收縮從而對(duì)光產(chǎn)生調(diào)制，通過(guò)測(cè)量該調(diào)制光可測(cè)得心率。

與產(chǎn)生原始PPG數(shù)據(jù)的現(xiàn)有光學(xué)AFE不同， AS7000集成的微處理器可運(yùn)行艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的特 殊算法，將PPG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HRM和HRV值。它內(nèi)部集成了2 個(gè)綠色LED、光敏器件、模擬前段（AFE）、微處理器M0以及 HRM算法，它能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)試，不管我們是在跑步、騎車，AS7000低噪聲和高靈敏度的模擬電路，算法結(jié)合加 速度傳感器，過(guò)濾虛假心跳PPG信號(hào)。同時(shí)，心率監(jiān)督在智 能手環(huán)上的應(yīng)用特別要考慮它的功耗問(wèn)題，AS7000在心率 連續(xù)測(cè)試模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在測(cè)試待 機(jī)模式下，可以降低到0.8uA。

AS7000的芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了心率采樣算法，所以我 們只要通過(guò)I2C接口去讀取數(shù)據(jù)。

如圖4所示，其中第13、14引腳是和Host主機(jī)端的I2C通 訊引腳。

第7、8引腳是AS7000的SWD仿真接口，AS7000內(nèi)部是 一個(gè)M0內(nèi)核的MCU，主要用于心率算法的處理。其中第8

圖4 AS7000原理

引腳 GPIO8是控制AS7000芯片是否進(jìn)入待機(jī)模式，GPIO8輸 出高電平，AS7000待機(jī)；GPIO8輸出低電平，AS7000正常運(yùn) 行模式。

第11、12引腳是AS7000和LIS3DH的I2C通訊引腳，主要 是因?yàn)锳S7000在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)心率測(cè)試的時(shí)候，需要過(guò)濾掉運(yùn) 動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的干擾。

第16引腳是GPIO5，在動(dòng)態(tài)心率算法的時(shí)候，AS7000 需要三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，第一種是可以像本方案這樣單 獨(dú)掛一顆三軸加速度傳感器，另外一種是可以向主機(jī)請(qǐng)求三 軸加速度數(shù)據(jù)。GPIO5就是在第二種方式的時(shí)候使用到的。 但是考慮到三軸加速度的同步性問(wèn)題，我們一般推薦第一種 方式。

第3引腳，是Sigref引腳，AS7000的SWD功能是內(nèi)部可 以關(guān)閉的， 當(dāng)我們關(guān)閉S WD時(shí)， 我們需要在A S7000的上 電前，把Sigref引腳接到地，此時(shí)從上電之后的5s時(shí)間內(nèi)， SWD是活躍的，可以通過(guò)SWD接口實(shí)現(xiàn)對(duì)AS7000的程序燒 寫功能。

第1、2、17、18引腳是AS7000 LED燈的電源，我們最 好的設(shè)計(jì)是需要一顆DC/DC升壓到4V供電，為了確保足夠 大的LED電流，同時(shí)要注意的是DC/DC需要有一個(gè)EN使能 信號(hào)腳，用于控制功耗使用。本方案中我們是直接使用電池 電壓作為電源，在測(cè)試中我們需要注意在電池電壓3.6V以上 測(cè)試效果比較理想。同時(shí)我也使用了一個(gè)MOS管去控制整 個(gè)電源的導(dǎo)通或截止。

1.4 觸摸

我們選擇的是CY的SoC藍(lán)牙芯片CYBL10573，它內(nèi)部集 成了Capacitive Sigma-Delta（CSD）模塊，可以提供一流的信噪 比和防水性能，所有GPIO都支持CapSense，使用靈活，并且支持單指和雙指觸摸應(yīng)用。

1.5 OLED顯示

顯示這一塊我們選擇自發(fā)光OLED顯示屏，只要 有一組I2C通訊接口就可以實(shí)現(xiàn)酷炫的界面顯示。

1.6 手機(jī)app藍(lán)牙互聯(lián)

本方案我們使用CY的SoC藍(lán)牙芯片CYBL10573， 內(nèi)部集成低功耗BLE藍(lán)牙模塊，BLE子系統(tǒng)包含鏈路 層引擎和物理層。鏈路層引擎支持主設(shè)備和從設(shè)備模 式。鏈路層引擎通過(guò)在硬件中實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要 求的各項(xiàng)功能（ 如加密功能） ， 從而降低功耗， 并 提供最少的處理器干預(yù)和高性能特性。 關(guān)鍵協(xié)議元 素（如主機(jī)控制接口（HCI）和鏈路控制）都是通過(guò)固件實(shí) 現(xiàn)的。同時(shí)提供了直接測(cè)試模式（DTM），以便能夠使用 標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙測(cè)試器來(lái)測(cè)試無(wú)線性能。物理層包含一個(gè)調(diào)制解 調(diào)器和一個(gè)射頻收發(fā)器，該收發(fā)器以1Mbps 的速度通過(guò)2.4

GHz ISM 帶傳輸和接收BLE 數(shù)據(jù)包。發(fā)送時(shí)，該模塊將進(jìn)行 GFSK 調(diào)制，并在通過(guò)天線傳輸BLE 數(shù)據(jù)包之前將該數(shù)據(jù)包 的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻。進(jìn)行接收時(shí)，該模塊會(huì)針對(duì)天 線中的射頻信號(hào)進(jìn)行GFSK 解調(diào)，以獲得數(shù)字比特流。射頻 收發(fā)器包括集成的Balun。該Balun 提供了一個(gè)單端射頻端口 引腳，這樣能夠通過(guò)pi 匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電阻為50歐的天線 終端?？梢詫⑤敵龉β示幊虨楱C18 dBm ~ +3 dBm，以優(yōu)化不 同應(yīng)用程序的電流消耗。

2 系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

最終智能手環(huán)要完成的功能：

1、基于AMS AS7000動(dòng)態(tài)心率檢測(cè);

2、基于意法半導(dǎo)體的電池管理芯片STNS01供電、充電 的電源管理系統(tǒng);

3、基于三軸加速度傳感器芯片LIS3DH的計(jì)步運(yùn)動(dòng)量檢 測(cè);

4、基于CY SoC藍(lán)牙的觸摸Touch功能實(shí)現(xiàn)，以及和手 機(jī)App BLE4.0藍(lán)牙信息交互功能;同時(shí)要完成SoC藍(lán)牙自身的 OTA升級(jí)和對(duì)AS7000的心率算法升級(jí)功能;

5、OLED的界面顯示;
?

最終，通過(guò)本方案我們希望可以幫助客戶快速搭建自 己的智能手環(huán)系統(tǒng)。