可穿戴的健康，保健和健身市場(chǎng)發(fā)展迅速，新產(chǎn)品幾乎每周出現(xiàn)一次。低成本，低功耗微控制器和廣泛的無(wú)線連接的可用性促進(jìn)了便攜性和個(gè)人健身監(jiān)視器新市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)一種新的健康或健身設(shè)備通常意味著將先前存放在床邊設(shè)備中的功能壓縮成易于攜帶的尺寸，或者甚至可以綁在手腕上。市場(chǎng)的速度也帶來(lái)了問(wèn)題：花費(fèi)數(shù)月時(shí)間評(píng)估設(shè)備和開(kāi)發(fā)定制硬件以驗(yàn)證概念可能會(huì)導(dǎo)致新產(chǎn)品遲到，甚至完全錯(cuò)過(guò)市場(chǎng)窗口。

本文將介紹在兩個(gè)常見(jiàn)的可穿戴健康設(shè)備的示例中，確定其共享的感知，處理和通信功能。然后，它將介紹并展示如何開(kāi)始使用具有這些必要特性的參考設(shè)計(jì)平臺(tái)，并解決與可穿戴設(shè)備相關(guān)的許多設(shè)計(jì)問(wèn)題。

便攜式醫(yī)療設(shè)備的示例

哪些組件構(gòu)成了這些便攜式醫(yī)療和健身設(shè)計(jì)的核心？我們來(lái)看幾個(gè)例子：

脈搏血氧儀：脈搏血氧儀測(cè)量動(dòng)脈血中的氧飽和度，以確保有足夠的氧合作用：用戶(hù)包括呼吸系統(tǒng)疾病患者，麻醉患者，早產(chǎn)兒或新生兒嬰兒（圖1）。

圖1：典型的手指式脈搏血氧儀，是許多與健康相關(guān)的可穿戴儀器之一。 （圖片來(lái)源：911school.com）

脈搏血氧儀是非侵入性的。最常見(jiàn)的傳感方法是通過(guò)手指，腳趾或耳朵傳輸紅光和紅外（IR）光來(lái)測(cè)量氧氣水平，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收波長(zhǎng)的比率。血液中的氧合血紅蛋白比紅光吸收更多的紅外輻射;脫氧血紅蛋白比紅外線吸收更多紅光。

在典型設(shè)計(jì)中，手指安裝的夾子包含兩個(gè)LED發(fā)射器，一個(gè)用于測(cè)量吸光度的光電二極管傳感器，以及一個(gè)用于傳輸唯一序列識(shí)別號(hào)的串行鏈路（圖2）。

圖2：典型脈搏血氧儀的方框圖顯示了光傳輸，傳感，信號(hào)調(diào)節(jié)，控制，通信和顯示階段。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

主單元包含一個(gè)微控制器，用于接收和處理模擬傳感器信息，驅(qū)動(dòng)LED，通過(guò)顯示器通知用戶(hù)結(jié)果，并通過(guò)有線傳輸結(jié)果或無(wú)線鏈接。

夾子通過(guò)電纜連接到主機(jī)，但有些血氧計(jì)包含一個(gè)手指安裝設(shè)備中的所有電子設(shè)備。

健身監(jiān)視器：健身監(jiān)控跟蹤和記錄身體活動(dòng)，以幫助改善身體健康。典型設(shè)備跟蹤心率，溫度，時(shí)間和距離等指標(biāo)。與脈搏血氧儀一樣，它通常由兩個(gè)不同的單元組成：傳感器和接收器或顯示單元（圖3）。

圖3：適用于健身應(yīng)用的心率胸帶和手表顯示屏。帶子（頂部）容納傳感器和MCU，并傳輸?shù)绞直恚ǖ撞浚?，可以進(jìn)行更復(fù)雜的動(dòng)作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

傳感部分包括一個(gè)帶有心率和溫度傳感器的胸帶。它在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段之前提供心臟信號(hào)的調(diào)節(jié)。然后它將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)浇邮掌鳌＝邮掌骺梢允鞘占畔⒁灾苯语@示的手表?；蛘撸直砜梢灾匦聜鬏?shù)絇C或直接傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和進(jìn)一步分析。一些體育課甚至在大屏幕上顯示所有成員的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以激勵(lì)和監(jiān)控。

可穿戴設(shè)備架構(gòu)共性

比較這些醫(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備的架構(gòu)，很明顯他們有許多共同點(diǎn)：

一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)門(mén)的傳感器測(cè)量生物信息。感興趣的參數(shù)通常是模擬的;正如我們所見(jiàn)，許多設(shè)備測(cè)量多個(gè)項(xiàng)目。

模擬前端（AFE）捕獲并處理傳感器信息。 AFE通常包含前端信號(hào)調(diào)理電路，例如運(yùn)算放大器，跨阻抗放大器（TIA）或可編程增益放大器（PGA）;前端設(shè)備的輸出饋送精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

低功耗微控制器控制和協(xié)調(diào)其他組件的操作。低功耗模式可讓微控制器最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，將大部分時(shí)間用于睡眠模式，并定期喚醒以進(jìn)行測(cè)量或響應(yīng)輸入數(shù)據(jù)。微控制器還包括安全功能，以防止未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)患者或用戶(hù)數(shù)據(jù)。

電源模塊由穩(wěn)壓器，電壓基準(zhǔn)，保護(hù)電路，電池和電池管理電路組成。電壓調(diào)節(jié)器可包括線性和開(kāi)關(guān)拓?fù)?。如果電池是可充電的，還有一個(gè)有線或無(wú)線充電器。

有線或無(wú)線數(shù)據(jù)端口與其他設(shè)備交換信息。根據(jù)應(yīng)用的不同，通用接口包括USB，Wi-Fi（IEEE 802.11）和藍(lán)牙低功耗（BLE）。

最后，還有一個(gè)人機(jī)界面（HMI）來(lái)顯示結(jié)果并接受用戶(hù)輸入。 HMI通常包括顯示器，開(kāi)關(guān)，揚(yáng)聲器和可能的麥克風(fēng)，以及附帶的接口組件，如顯示驅(qū)動(dòng)器，ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

相似之處并不以硬件結(jié)束：它們還有許多共同的軟件元素。例如，數(shù)據(jù)安全性對(duì)健康和健身應(yīng)用至關(guān)重要。加密和身份驗(yàn)證是大多數(shù)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組件。如果產(chǎn)品用于醫(yī)療環(huán)境，則健康保險(xiǎn)流通與責(zé)任法案（HIPAA）等法規(guī)可能要求設(shè)計(jì)安全性。其他常見(jiàn)軟件元素包括BLE或USB堆棧，顯示驅(qū)動(dòng)程序或用戶(hù)界面例程。

現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)平臺(tái)縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間

設(shè)計(jì)可穿戴的健康或健身產(chǎn)品可能很復(fù)雜，但設(shè)計(jì)人員可能經(jīng)常處于大量上市時(shí)間壓力。由于許多便攜式健康和健身產(chǎn)品具有與上述兩者相似的要求，因此組件供應(yīng)商通過(guò)提供現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)幫助縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。這些可以構(gòu)成多種健康和健身應(yīng)用的基礎(chǔ)。

Maxim Integrated的MAXREFDES100 #hSensor平臺(tái)，例如，在一塊印刷電路板上包含所有硬件構(gòu)建模塊。它還具有ARM mbed硬件開(kāi)發(fā)套件（HDK）可輕松訪問(wèn)的硬件功能。

圖4：hSensor平臺(tái)可幫助設(shè)計(jì)人員快速入門(mén)一個(gè)現(xiàn)成的健康和健身平臺(tái)。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

hSensor平臺(tái)包括一個(gè)hSensor板，帶驅(qū)動(dòng)程序的固件，一個(gè)圖形用戶(hù)界面（GUI）和一個(gè)調(diào)試板。

固件源代碼可在Maxim的網(wǎng)站上找到，以便設(shè)計(jì)人員可以加載算法以使平臺(tái)適應(yīng)不同的用例?？蛻?hù)可以下載固件以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，加快評(píng)估速度，并顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。原理圖，物料清單（BOM），布局文件，Gerber文件和軟件也可在線獲取。

hSensor平臺(tái)中的組件專(zhuān)為便攜式和可穿戴應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有降低總體功耗的功能消費(fèi)（圖5）。該板尺寸為25.4 mm x 30.5 mm，小到足以容納胸部，手臂，手腕，手指和耳部臨床或健身應(yīng)用。

圖5：hSensor平臺(tái)包括許多常見(jiàn)的健康和健身構(gòu)建塊。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

傳感器和AFE電路

該平臺(tái)包括用于許多常見(jiàn)健康和健身功能的傳感器。它可以測(cè)量皮膚溫度和心率，并支持各種生物電位測(cè)量，如心電圖，肌電圖（EMG）和腦電圖（EEG）。對(duì)于健身帶應(yīng)用，組合加速度計(jì)/陀螺儀感應(yīng)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn);該平臺(tái)還包括一個(gè)氣壓傳感器。

幾種專(zhuān)用設(shè)備支持生物功能。例如，MAX30101光學(xué)傳感器集成了光學(xué)和電學(xué)功能，可以制作高靈敏度的脈搏血氧儀和心率傳感器（圖6）。

圖6：MAX30101是一款單芯片脈搏血氧飽和度傳感器，包括光學(xué)和電子元件。 （圖像來(lái)源：Maxim Integrated）

MAX30101將紅色，綠色和紅外LED，光電二極管和AFE電路（如18位Δ-ΣADC）與環(huán)境光消除相結(jié)合。通信由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I 2 C接口提供。當(dāng)用戶(hù)的手指不在傳感器附近時(shí)，接近功能可降低功耗。

MAX30205臨床級(jí)溫度傳感器提供0.1°C精度和16位分辨率。它經(jīng)過(guò)優(yōu)化，適用于具有低電壓（2.7 V - 3.3 V）和低電流（600μA）操作的可穿戴設(shè)備。該部件包括一個(gè)過(guò)熱報(bào)警器，并通過(guò)I 2 C端口進(jìn)行通信。當(dāng)焊接在生產(chǎn)印刷電路板上時(shí)，其精度符合ASTM E1112的臨床溫度測(cè)量規(guī)范。

MAX30003單通道集成生物電位AFE為ECG應(yīng)用提供接口。信號(hào)鏈包括輸入多路復(fù)用器和儀表放大器，然后是具有可選截止頻率和PGA的低通濾波器。

與其他hSensor器件一樣，該器件有助于延長(zhǎng)電池壽命，在1.1 V工作時(shí)功耗低至85μW。它還包括將部件保持在深度睡眠模式的功能，直到它檢測(cè)到有效的心電圖導(dǎo)聯(lián)。為了進(jìn)一步降低功耗，可配置中斷只能在每次心跳時(shí)喚醒微控制器。

微控制器

該控制器是一款基于32位ARM?Cortex?-M4F內(nèi)核和浮點(diǎn)控制器的超低功耗微控制器。與其他hSensor組件一樣，微控制器針對(duì)可穿戴設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，具有四種靈活的功耗模式和固件控制的電源門(mén)控，可最大限度地降低功耗。該器件包括一個(gè)帶有可選電壓基準(zhǔn)的四輸入10位ADC，以及包括SPI，UART和I 2 C串行接口的通信選項(xiàng)，以及集成的USB 2.0收發(fā)器和1-Wire主模塊。

電源模塊

MAX14720構(gòu)成電源管理模塊的核心。該器件專(zhuān)為空間受限的電池供電應(yīng)用而設(shè)計(jì)，集成了電源開(kāi)關(guān)，線性穩(wěn)壓器，降壓穩(wěn)壓器和降壓 - 升壓穩(wěn)壓器。外部按鈕控制MAX14720的電源排序：三秒鐘按下PMIC，然后二十秒后關(guān)閉它。

數(shù)據(jù)通信

hSensor平臺(tái)包括兩個(gè)有線和無(wú)線通信端口。微控制器通過(guò)可逆USB Type-C連接器提供USB 2.0，以最大限度地減小電路板尺寸。無(wú)線BLE通信由EM Microelectronics完全集成的單芯片控制器提供，使hSensor平臺(tái)可以充當(dāng)BLE主設(shè)備或從設(shè)備。

軟件支持

軟件支持包括PC和Android。 PC應(yīng)用程序提供GUI，允許使用USB配置系統(tǒng)和讀取傳感器數(shù)據(jù)。 Android應(yīng)用程序提供BLE功能。

開(kāi)發(fā)人員可以使用ARM mbed開(kāi)發(fā)環(huán)境自定義平臺(tái)操作。該參考設(shè)計(jì)包括MAXREFDES100HDK＃編程適配器，可為固件更新提供無(wú)驅(qū)動(dòng)的拖放編程，以及與ARM的CMSIS-DAP接口固件兼容的虛擬UART接口和調(diào)試器。

固件使用中斷驅(qū)動(dòng)的模型，如圖7所示。上電后，微控制器將電源管理器件和傳感器配置為默認(rèn)設(shè)置。然后它等待來(lái)自GUI或Android應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（RPC）。

圖7：MAXREFDES100＃的固件流程圖（版本10） ）基于中斷驅(qū)動(dòng)的模型。 （圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

結(jié)論

健康或健身市場(chǎng)的可穿戴產(chǎn)品必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的性能要求，消耗最少的功率，并適合極小的封裝。該設(shè)計(jì)必須結(jié)合專(zhuān)用傳感器，精密模擬電路，數(shù)字控制和有線或無(wú)線通信。

對(duì)于健康傳感器應(yīng)用，工作硬件和固件平臺(tái)允許設(shè)計(jì)人員快速驗(yàn)證概念，或使用平臺(tái)現(xiàn)有功能作為新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

Maxim的MAXREFDES100＃參考設(shè)計(jì)提供了這樣一個(gè)平臺(tái)。它針對(duì)此應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，采用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試的模塊，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。它包括帶有多個(gè)健康相關(guān)傳感器的hSensor平臺(tái)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM核心微控制器，以及具有可下載源代碼的強(qiáng)大軟件生態(tài)系統(tǒng)。

使用這些組件，設(shè)計(jì)人員可以快速配置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，專(zhuān)注于區(qū)分產(chǎn)品的功能，并將產(chǎn)品上市時(shí)間縮短數(shù)月。在快節(jié)奏的健康和健身可穿戴設(shè)備市場(chǎng)中，這可能是成功與失敗之間的差異。