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ADI:可穿戴电子设备可监控生命体征、活动水相等

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 健康监护正在走向可穿戴设备当我还是个小男孩的时

文章转自ADI官网,版权归属原作者全部

健康监护正在走向可穿戴设备

当我仍是个小男孩的时分,妈妈总是不停地叮咛我要带够零钱,以防在遇到紧急状况时需求打电话。二十年后,移动电话使咱们能够随时随地拨打电话。又经过20 年的立异后,语音通话已不再是手机这款智能设备的首要功用,它不仅能够拍照美丽的相片、播映音频和视频流文件,而且还供给各式各样的服务——现在还逐步成为咱们的私家教练。装备传感器或许衔接到穿戴式传感器后,这些设备可用来监控日常活动和个人健康状况。在不断增强的健康认识推进下,人们开端重视丈量生命体征参数——如心率、体温、血氧饱和度、血压、活动水平(运动量)和脂肪焚烧量——以及追寻这些参数的日常改变趋势。

现在,装有多个传感器的通用传感器前端可监控这些参数。最大的应战是最大程度地缩小尺度并延伸电池运用寿命。本文评论面向迅猛添加的可穿戴电子产品商场的解决计划。

最重要的生命体征信号

没了心跳,咱们就会有大费事,因而,脉息或心率至今仍是咱们需监控的最重要的参数。除了每分钟心跳次数以外,咱们还想查看心脏行为与活动量的联系。心律也十分重要,因为快速改变的心率是心脏疾病的预兆。

心率和心脏活动监护一般是运用心电图(ECG)丈量生理电信号来完成。衔接到身体上的电极可丈量心脏安排中心电的信号的活动。专业的诊断体系便是基于此原理,丈量时胸部和四肢最多可衔接10 个电极。ECG 可供给一次心跳不同重量(P 波、QRS 波和T 波)的相关详细信息。

Figure 1
图1. AD8232 单导联ECG 前端

单导联ECG 在体育界的运用越来越遍及,其运用双电极胸带来丈量心脏活动。虽然可检测到各种ECG 波形,但大多数体系只丈量心率。这些胸带穿戴起来并不舒畅,因而,体育和保健职业正在寻觅代替计划,例如将电极集成到运动衫上。AD8232 单导联心率监护仪前端(如图1 所示)便是专为此类低功耗可穿戴运用而开发的。该器材内置增益为100 V/V 的外表放大器和一个高通滤波器,能阻挠皮肤上电极的半电池电位发生的失调电压。输出缓冲器和低通滤波器则可按捺肌肉活动发生的高频重量(EMG 信号)。此低功耗前端功耗为170 μA,可与16 位片上计量仪ADuCM350合作运用,进行高功能、单导联ECG 丈量。

丈量心率的新办法

心率丈量的新趋势是光电容积图(PPG),这是一种无需丈量生物电 信号就能取得心脏功用信息的光学技能。PPG 首要用于丈量血氧 饱和度(SpO2),但也可不进行生物电信号丈量就供给心脏功用信 息。凭借PPG 技能,心率监护仪可集成到手表或护腕等可穿戴设 备上。因为生理电势法的信号电平极端弱小,所以无法做到这 一点。

在光学体系中,光从皮肤外表投射出来。再由光电传感器丈量红细胞吸收的光量。跟着心脏跳动,不断改变的血容量使接纳到的光量分散开来。在手指或耳垂上进行丈量时,因为这些部位有相当多的动脉血,运用红光或红外光源可取得最佳精度。不过,手腕表层很少有动脉存在,腕部穿戴式设备有必要经过皮肤表层下面的静脉和毛细血管来检测脉动重量,因而绿光作用会更好。

ADPD142 光学模块(如图2 所示)具有完好的光度丈量前端,并集成光电传感器、电流源和LED。该器材专为丈量反射光而规划,可用来完成PPG 丈量。全部元件都封装在一个小小的模块上。

Figure 2
图2. ADPD142 光学模块

运用光学VSM 所面对的应战

运用腕部穿戴式设备丈量PPG 面对的首要应战来自环境光和运动发生的搅扰。阳光发生的直流差错相对而言比较简单消除,但日光灯和节能灯宣布的光线都带有可引起沟通差错的频率重量。模仿前端运用两种结构来按捺DC 至100 kHz 的搅扰信号。模仿信号经过调度后,14 位逐次迫临型数模转换器(ADC)将信号数字化,再经过I2C 接口发送到微处理器进行终究后处理。

同步发送途径与光接纳器并行集成在一起。其独立的电流源可驱动两个独自的LED,电流电平最多可编程至250 mA。LED 电流是脉冲电流,脉冲长度在微秒级,因而可坚持较低的均匀功耗,然后最大程度地延伸电池运用寿命。

LED 驱动电路是动态电路且可即时装备,因而不受各种环境条件影响,例如环境光、穿戴者皮肤和头发的色泽或传感器和皮肤之间的汗液,这些都会下降灵敏度。鼓励LED 装备十分便利,可用于构建自适应体系。全部时序和同步均由模仿前端处理,因而不会添加体系处理器的任何开支。

ADPD142 供给两种版别:ADPD142RG 集成红光LED 和绿光 LED,用于支撑光学心率监护;ADPD142RI 集成红光LED 和红 外LED,用于进行血氧饱和度(SpO2)丈量。)

运动的影响

运动也会搅扰光学体系。当光学心率监护仪用于睡觉研讨时,这或许不是问题,但假如在训练期间穿戴,运动腕表和护腕将很难消除运动伪像。光学传感器(LED 和光电检测器)和皮肤之间的相对运动会下降光信号的灵敏度。此外,运动的频率重量也或许会被视为心率丈量,因而,有必要丈量该运动并进行补偿。设备与人体相贴越严密,这种影响就越小,但选用机械办法消除这种影响简直是不或许的。

咱们可运用多种办法来丈量运动。其间一种是光学办法,即运用多个LED 波长。共模信号表明运动,而差分信号用来检测心率。不过,最好是运用真实的运动传感器。该传感器不仅可精确丈量运用于可穿戴设备的运动,而且还可用于供给其他功用,例如盯梢活动、核算步数或许在检测到特定g 值时发动某个运用。

ADXL362 是一款微功耗、3 轴MEMS(微机电体系)加速度计,十分适合在电池供电型可穿戴运用中检测运动。内置的12 位ADC可将加速度值转换为数字信号,分辨率为1 mg。功耗随采样速率动态改变,当输出数据速率为100 Hz 时功耗仅为1.8 μA,在400 Hz时为3.0 μA。这些较高的数据速率关于用户接口来说十分有用,例如单击/双击检测。

关于在检测到运动时发动某个运用的状况,则无需进行高速采样,因而可将数据速率降至6 Hz,此刻均匀功耗为300 nA。因而,关于低功耗运用和不易替换电池的植入式设备来说,此传感器十分有吸引力。ADXL362 选用3.0 mm × 3.25 mm 封装。图3 显现了不同电源电压条件下电源电流与输出数据速率之间的联系图。

Figure 3
图3. ADXL362 电源电流与输出数据速率的联系

体系中各传感器的衔接

体系的中心是混合信号片上计量仪ADuCM350,它与全部这些传感器相连,并担任运转必要的软件,以及贮存、显现或传送成果。该器材集成高功能模仿前端(AFE)和16 MHz ARM® Cortex®-M3处理器内核,如图4 所示。AFE 的灵活性和微处理器丰厚的功用组合使此芯片成为便携式运用和可穿戴运用的抱负挑选。可装备的AFE 支撑简直全部传感器,其可编程波形发生器可运用沟通或直流信号为模仿传感器供电。高功能的接纳信号链会对传感器信号进行调度,并运用无丢码16 位160 kSPS ADC 将这些信号数字化。其间,后者的积分非线性(INL)/差分非线性(DNL)最大值为±1-LSB,。该接纳信号链支撑任何类型的输入信号,包含电压、电流、恒电势、光电流和复阻抗。

Figure 4
图4. 集成AFE 的Cortex-M3

AFE 可在独立形式下作业,无需Cortex-M3 处理器干涉。可编程时序操控器操控丈量引擎,丈量成果经过DMA 贮存到存储器内。开端丈量前,可执行校准程序,以校对发送和接纳信号链中的失谐和漂移差错。关于复阻抗丈量,如血糖、体质指数(BMI)或安排辨别运用,内置DSP 加速器可完成2048 点单频离散傅里叶变换(DFT),而无需M3 处理器干涉。这些高功能AFE 功用使ADuCM350 具有其他集成解决计划无与伦比的共同优势。

Cortex 处理器支撑多种通讯端口,包含I2S、USB、MIPI 和LCD显现驱动器(静态)。此外,它还包含闪存、SRAM 和EEPROM,而且支撑五种不同的电源形式,可最大程度地延伸电池运用寿命。

ADuCM350 规划用于超低功耗传感器,功能限制为低速器材。关于要求更高处理才能的运用,可运用作业频率高达80 MHz 的M3内核或许Cortex-M4 处理器内核。

功耗怎么?

功耗一直是便携式设备和可穿戴设备中的一个关键因素。本文介绍的设备在规划上要求功能高、尺度小且功耗低,但在十分小的封装内集成全部全部器材(包含电池)依然是一个应战。虽然新的电池技能完成了每mm3 更高的容量,但与电子产品比较,电池依然体积较大。

能量搜集可减小电池尺度并延伸电池运用寿命。能量搜集技能有多种,包含热电、压电、电磁和光电等技能。关于可穿戴设备,运用光和热最为适宜。传感器一般不会发生很多输出功率,因而每焦耳热量都应当能够被捕获和运用。ADP5090 超低功耗升压调节器(如图5 所示)桥接纳集器和电池。此高效开关形式电源可将输入电压从低至100 mV 升高到3 V。冷发动期间,在电池彻底放电的状况下,最小输入电压为380 mV,但在正常作业时,假如电池电量没有彻底耗尽或许还有一些电能留在超级电容内,任何低至100 mV 的输入信号都可转换为较高的电位并贮存下来,以供稍后运用。

该芯片选用微型3 mm × 3 mm 封装,并可进行编程来支撑各种不同的能量搜集传感器。最大静态电流为250 nA,支撑简直全部电池技能,从锂离子电池到薄膜电池以及超级电容均可。集成式维护电路可保证其安全运转。

Figure 5
图5. ADP5090 能量搜集器

定论

本文介绍了一些用于可穿戴和个人健康运用的低功耗产品,但这个快速添加的商场正在快速改变。ADI 公司的技能能够将这些颇具应战性的难题转变为完善的产品和完好的解决计划。更多惊喜敬请期待。

参阅电路

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