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第二代可穿戴设备背后的传感器技术

发布时间：2018-06-04 责任编辑：wenwei

【导读】买一块健康手表并监测身体参数，并不意味着您生活得更健康。关键在于通过较长时间监测某些身体参数来熟悉这些数值并加以利用，进而调整自己每天的生活以获得改善。这个过程可帮助您了解身体如何工作，以及如何降低长期健康成本。
 
今天我们将围绕 ADI 最新可穿戴 VSM 平台和所有的传感器技术来讨论，该平台如图 1所示。此平台旨在提供一个参考，帮助电子设计人员和系统架构师加快开发过程，为专业和医疗市场设计出更新、更智能、更精确的可穿戴设备。
 
第二代可穿戴设备背后的传感器技术
图 1. ADI 第二代集成式可穿戴设备参考设计
 
测量什么？如何测量及在哪里测量？
 
通过可穿戴设备可测量各类重要身体参数。根据总体目标，测量某些参数比测量其他参数会更重要?？纱┐魃璞冈谏硖迳系奈恢迷诤艽蟪潭壬暇龆四男┎问梢圆饬?，哪些不能测量。
 
最明显的位置是手腕。我们已习惯于在手腕上戴个物件，所以市场上有很多智能手表和腕戴设备之类的产品。
头部也是佩戴可穿戴设备的好地方。例如，各式各样的头戴式耳机和耳塞中含有嵌入式传感器，用来测量心率、氧饱和度、温度等参数。
 
身体上适合可穿戴设备的第三个位置是胸部。第一代心率监护仪就是设计在胸带上，这种生物电位测量方法至今仍是非常精确的技术。不过，现在倾向于使用胸贴，因为胸带穿戴起来不是很舒服。已有多家制造商设计智能胸贴以监测重要身体参数。
 
根据身体位置，我们不仅要选择哪些参数可以测量，还要选择使用何种技术。
 
针对心率测量，生物电位测量是最古老的技术之一。其信号很强，利用两个或更多电极便可从身体中轻松获取。针对此方法，将电路集成在胸带或耳机中再好不过。然而，在腕部等单一点处测量生物电位信号几乎不可能。必须在产生电信号的心脏周围测量。
 
针对单点测量，光技术更合适。将光线射入组织中，捕捉并测量动脉中血流对光线的反射信号。从接收到的光信号可获知逐搏心跳信息。该技术看似相当直截了当，但事实上存在多项挑战和影响因素会使设计变得困难，比如运动和环境光线。
 
ADI 第二代可穿戴设备参考平台集成了上述大部分技术。该设备设计戴在手腕上，但您也可以去除软带，将设备贴在胸上，用作智能胸贴。该设备包含支持生物电位测量、光学心率测量、生物阻抗测量、运动跟踪、温度测量的技术，它们全都集成在一个微型电池供电设备中。
 
ADI 为什么设计该系统？
 
此类系统的目标是能够评估各种检测技术并轻松测量身体的多个重要参数。测量结果可存储在闪存中，或通过BLE无线连接发送到智能设备。由于测量是同时进行，因此它也有助于发现多个参数之间的相关性。生物医疗工程师、算法提供商和企业家不断寻找新技术、应用和使用场景以期及早检测疾病，避免其发展到晚期，尽量降低疾病对身体的不利影响或损害。
 
传感器成就 ADI 第二代可穿戴设备
 
第二代可穿戴设备围绕两片堆叠成三明治形状的 PCB 设计而成。主板包含低功耗处理器、无线BLE和完整的电源管理部分（包括电池调理和充电）。第二片板支持所有检测技术。
 
PPG 测量（光电血管容积图）的光学系统围绕 ADI 第二代光学模拟前端 ADPD107 而构建。ADPD 系列的功能框图如图2所示。
 
第二代可穿戴设备背后的传感器技术
图2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框图
 
ADPD107 用作完整收发器，驱动系统中的 LED 并测量光电二极管的返回信号。目标是针对消耗的一定 LED 电流量（电流传输比），测量尽可能高的光电流。输入接收信号链围绕可配置跨阻放大器而设计，其中增益编程有四个步进，最高达到200k。第二级负责抑制环境光?；肪彻飧扇攀且桓龃笪侍?，尤其是当调制光时，比如使用 LED 或节能灯的固态照明系统?；肪彻庖种颇？楹幸桓龃瞬ㄆ鳎浜笫且桓龌制?，用以支持同步解调。这是一个关键功能，能够非常有效地抑制外部光干扰。当因为某种原因而不需要环境光抑制级时，可以彻底旁路此?？?。
 
光学系统运用光脉冲。它有三个可编程的LED电流源。最大 LED电流是可编程的，可以高达 370 mA。脉冲宽度也是可编程的，可以窄至1 μs。但为了获得良好的信号响应，脉冲宽度应在 2 μs到 3 μs左右。通?；崽峁┮幌盗?LED 脉冲，同时模数转换器对与LED 发射脉冲相关的光电二极管接收信号进行采样。数字引擎能够对多个样本进行平均以提高整体有效位数。
 
除光学系统外，机械设计对整体性能也有重大影响。该第二代设备的光学元件选择分立器件。这给光电二极管选择和 LED 波长提供了很大的灵活性，并且放宽了机械约束，例如 LED 和光电二极管之间的间距。第二代设备支持两个绿光 LED、一个红光 LED 和一个红外 LED。对于在光学系统设计方面没有太多经验的设计者，集成完整光学?？榭赡芨菀住?/div>
 
关于光电二极管的数量、大小及 LED 波长选择，存在一些不同的考虑。最新?？榈目⒒谝韵驴悸牵杭词拱沧霸谒芰洗翱诤竺?，其也能表现出非常好的光学性能。第一代需要一个分离窗口来抑制内部光污染（可视为光串扰）。分离窗口有助于降低直接来自 LED 而未穿透到主体中的光线所引起的直流失调。这种分离窗口不容易集成，在成本上也没有吸引力。最新系列（比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ）已大幅改进，仅使用一个完整窗口，ILP效应几乎已降至0。
 
两个 AD8233 模拟前端支持生物电位测量。AD8233（参见图3）是ADI 第二代单导联 ECG 前端，嵌入了右腿驱动 (RLD) 功能，设计用于在高噪声环境中提取、放大、过滤微弱的生物电位信号。此器件的重点应用是可穿戴设备、便携式家庭护理系统和训练装备。AD8233 在交流耦合配置下工作。输入级分为 2 个增益级。第一级的增益有限，后接一个二阶高通滤波器和第二增益级。此输入模块的总增益为 100 V/V，其中减去了电极半电池电位所引起的失调。AD8233 的第二级结合了一个三阶低通滤波器，它由一个二阶 Sallen Key 滤波器和一个额外低通滤波器联合而成。此滤波器的作用是抑制所有来自肌肉活动的EMG相关信号。
 
第二代可穿戴设备背后的传感器技术
图3. AD8233 ECG前端功能框图
 
生物电位前端的工作频率取决于使用场景。仅需要QRS检测的普通心率监护仪，其工作频率范围远小于需要更多信息（例如来自P波、QRS波群和T波的时序和幅度数据）的 ECG 监护仪。AD8233 的目标频段可通过外部电阻和电容配置。为提供灵活性，第二代可穿戴设备的ECG前端连接到嵌入式电极，配置为运动带宽，支持 7 Hz 至 25 Hz 的目标频段。第二个 AD8233 可以结合外部电极工作，配置用来监测 0.5 Hz 至 40 Hz 的信号。原理上可以选择几乎任何带宽。然而，这要求修改硬件，改变 R 和 C 设置。
 
根据精度要求，AD8233 输出可以送至传感器板上 Cortex®-M3 处理器中嵌入的 12 位逐次逼近型 (SAR) ADC，或由独立的 16 位 AD7689SAR ADC 数字化。用户可以根据精度或电池寿命进行权衡。
 
设备背面有两个电极，这些电极具有双重功能。除ECG测量外，其还可用于皮肤电活动 (EDA) 测量。
 
EDA 或皮肤电反应 (GSR) 与皮肤电导率有关，而内部或外部刺激引起的情绪变化会暂时改变皮肤电导率，例如压力或癫痫会导致皮肤阻抗改变。第二代设备能够检测这种微小的电导率变化。系统利用交流激励信号，其施加于两个干电极上。也可以使用湿电极，效果会更好。不过，该设备仅利用两个嵌入式不锈钢干电极。使用交流激励信号的主要优势是它不会使电极极化。接收信号链代表一个跨阻放大器，后接 AD7689 16 位 SAR 型ADC。出于性能原因，ADC 采样速率远高于激励速率。ADC 输出之后是一个运行在 ADuCM3029 处理器上的离散傅里叶变换 (DFT)引擎，用以表示复阻抗。上述测量原理能以高信噪比测量皮肤阻抗或皮肤电导率，并且非常好地抑制 50 Hz/60 Hz 环境信号。电路基于此测量原理而构建，完全采用分立器件。这一设计决策的主要原因是灵活性、精度和相当低的功耗。与此同时，ADI 正在开发一款支持上述应用的新芯片。其精度非常高，而功耗极小。ADuCM350也支持类似测量，但此芯片未针对功耗敏感型应用而优化。
 
如果仅测量生命体征参数而不了解测量时身体处于何种状态，那么可穿戴设备是无价值的。因此，运动检测和剖析很重要。像光学心率监测之类的使用场景对运动非常敏感，运动可能完全破坏测量精度。有鉴于此，运动也需要加以追踪以补偿伪像。运动传感器有助于追踪运动，如果需要，可以在最终读数结果中补偿运动。ADXL362 是目前功耗最低的运动传感器。它有一个 3 轴MEMS传感器并集成 12 位 ADC，可检测X、Y和Z轴上的运动。ADC 的输出数据速率 (ODR) 反映传感器的功耗，在每轴 400Hz 的全ODR 时功耗为 3 μA。图 4 显示了功耗与输出数据速率的关系曲线。
 
第二代可穿戴设备背后的传感器技术
图4. ADXL362功耗与输出数据速率的关系
 
此传感器也可用作运动激活开关。采样速率可以降至仅 6 Hz。每隔 150 ms，传感器便唤醒并测量运动。若无运动，它将径直回到睡眠状态，再睡眠 150 ms。当 g 力等于或高于设定的阈值水平且至少持续设定的最短时间时，说明检测到运动，传感器随即产生中断或使能电源开关以开启应用。在此模式下，传感器功耗仅 300 nA，依靠单颗纽扣电池便可运行数年。总结所有这些使用场景，可知运动传感器在可穿戴设备中必不可少。
 
温度检测是另一个重要参数。这正是第二代可穿戴设备嵌入两个温度传感器的原因。腕带设备利用 NTC 测量皮肤温度和设备内部温度，通过与身体接触的传感器测量温度的方法有多种。NTC 由分立电路供电和调理，16 位 ADC 最终将信号转换到数字域。ADI 拥有类型广泛和各种精度水平的温度传感器。第二代的温度传感器构建成分立式的原因是有 ADC 等多个功能可供使用，设计者可以尽可能多地重用若干?？橐约跎偃哂嘈裕⒔谑「喙?。
 
ADuCM3029——集大成者
 
第二代设备运用两个处理器。并不是非要不可，其目的是提供更大的灵活性。带无线 BLE 的接口板有一个处理器，该器件也用在传感器板上以便能自主运行。
 
设备中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集传感器数据并运行算法。图 5 为该处理器中的集成?？楦爬馈?/div>
 
第二代可穿戴设备背后的传感器技术
图5. ADuCM3029集成?？?/div>
 
内核是一个 26 MHz Cortex-M3，具有丰富的外设组合、片上存储器和模拟前端。它有4种工作模式，全面运行模式下的芯片功耗为 38 μA/MHz。如不需要处理能力，设备可在灵活模式下运行。在这种工作模式下，模拟前端运行，外设有效，测得的信号可通过 DMA 存储在存储器中。此模式的功耗仅有 300 μA，故该芯片对低功耗电池供电系统非常有吸引力。其中还嵌入了多项安全特性以保护代码，并有一个硬件加速器用于加密功能。
 
使用场景的选择
 
第二代可穿戴设备有很多用途。传感器可以集成到智能手表中，但包括精确心率监测和运动/卡路里消耗测量在内的众多功能对运动手表也很有利。智能手表和运动手表的主要区别在于对精度和电池寿命的取舍不同。
 
测量压力或情感状态。通常利用组合测量来获得可靠的读数，例如皮肤阻抗、心率变化和温度的组合。
血压监控。这是一个非常重要的参数，但大部分系统是基于护腕的，很难集成到可穿戴式连续控系统中。某些技术无需护腕便可测量血压。有一种技术利用脉搏波传输时间 (PTT)，这要求 ECG 测量与 PPG 测量相结合。第二代可穿戴设备内部的传感器支持此技术。
 
与老年护理和独立生活有关。社会对能帮助护理人员远程监测某些参数的系统有巨大需求。该可穿戴设备支持 95% 的功能需求。系统可监测多项生命体征参数。它不仅能识别人是在移动还是在行走，而且能检测人是否跌倒。可穿戴设计缺失的一块是应急按钮，但这只需将处理器上的一 个I/O引脚连接到设备上方的一个开关便能实现。
 
从原型到产品
 
第二代设备在一个小型可穿戴系统中嵌入了许多高性能传感器和特性。除电子设计外，还考虑了许多机械设计方面。这使得该平台对聚焦于半专业运动市场、医疗市场以及智能建筑、独立生活、老年护理系统相关企业的设计公司和设备制造商极具吸引力。所有参数可以同时测量，但算法需要助力应用以支持使用场景。测试和验证算法之前无需构建硬件，开发商和设备制造商可利用此设备快速开始项目。
 
 
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