驅(qū)動芯片上的可穿戴傳感健康監(jiān)測器

　　可穿戴傳感器的一個關(guān)鍵驅(qū)動因素是健康監(jiān)測，而小型化一直是這項技術(shù)的關(guān)鍵推動力。能夠在與微控制器相同的設(shè)備上集成多個傳感器和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，使設(shè)計人員能夠?qū)⑵湓O(shè)備的設(shè)計小型化，以適應(yīng)更多的外形尺寸。

　　例如，PulseOn 的最新可穿戴健康監(jiān)測器使用STMicroelectronics的定制微機械 MEMS 傳感器及其STM32L微控制器。這提供了準(zhǔn)確的連續(xù)心率測量，并且在微控制器上運行的算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對每個人有意義的個性化反饋。

　　MEMS 加速度計將心率測量的準(zhǔn)確性和可靠性保持在心電圖所提供的水平，并且已經(jīng)在從身體不活動到高水平的心臟密集型活動的各種條件下進行了測試。加速度計通過跟蹤系統(tǒng)中的手部運動和振動來消除光學(xué)血流檢測中的噪聲，從而使系統(tǒng)能夠區(qū)分代表實際心臟脈搏的信號和僅由手部運動引起的噪聲。加速度計還可以確定佩戴者的身體活動水平。

　　圖 1：PulseOn 的智能可穿戴健康監(jiān)測器使用來自 STMicroelectronics 的 MEMS 加速度計和高度集成的控制器來提高血壓測量的準(zhǔn)確性。

　　“芯片的精度和性能使我們能夠?qū)⒆顕?yán)格的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于 PulseOn 心率測量技術(shù)，從而產(chǎn)生可靠的結(jié)果，包括休息時的節(jié)拍精度，”工程主管 Jari Nousiainen 說脈沖開啟?！巴瑯又匾氖?，這些設(shè)備的微小尺寸和能量預(yù)算已成為市場上最小、最準(zhǔn)確的腕戴式心率監(jiān)測器的競爭優(yōu)勢?！?/p>

　　另一種使健康監(jiān)視器小型化的方法是將盡可能多的數(shù)據(jù)采集集成在一個芯片上。Analog Devices的ADuCM350是一種高精度片上儀表，設(shè)計用于在便攜式設(shè)備應(yīng)用（如即時診斷和可穿戴設(shè)備）中使用紐扣電池運行。通過將模擬前端中的電流、伏安和阻抗測量功能與靈活的開關(guān)矩陣相結(jié)合，可以在最小的占位面積內(nèi)使用各種傳感器，從而減小系統(tǒng)的整體尺寸。這使用了一個 16 位、精度、160 kSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）；0.17% 精密電壓基準(zhǔn)；12位、無漏碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）；以及可重構(gòu)的超低泄漏開關(guān)矩陣。還有一個溫度傳感器，從 0°C 到 50°C，精度為 ±1°C。

　　該芯片還包括一個基于 ARM Cortex-M3 的低功耗處理器、384 kB 嵌入式閃存、32 kB 系統(tǒng) SRAM 和 16 kB 閃存配置 EEPROM，以及支持帶顯示的便攜式儀表的 I/O， USB 通信和有源傳感器。AFE 通過高性能總線 （AHB） 從接口以及直接存儲器訪問 （DMA） 和中斷連接連接到 ARM Cortex-M3。

　　圖 2：ADuCM350 將健康監(jiān)測器所需的所有元素集成到芯片級封裝的單個芯片上。

　　為了縮小系統(tǒng)尺寸，所有這些都封裝在一個 120 引腳、8 mm × 8 mm 芯片級球柵陣列 （CSP_BGA） 中，工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，以滿足許多不同的環(huán)境。

　　當(dāng)然，功率是系統(tǒng)小型化的重要考慮因素，因為較低的功率允許使用更小的電池。因此，ADuCM350 具有一系列電源模式，例如動態(tài)和軟件控制的時鐘和電源門控。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體的 MK50DX256CLK10同樣針對小型傳感器應(yīng)用，具有廣泛的集成外設(shè)。其中包括兩個 16 位逐次逼近型 SAR ADC、一個集成在每個 ADC 中的可編程增益放大器 （PGA）（最高 x64），以及兩個運算放大器和兩個跨阻放大器。對于數(shù)據(jù)輸出，有兩個 12 位 DAC，三個模擬比較器 （CMP），包含一個 6 位 DAC 和可編程基準(zhǔn)輸入和一個電壓基準(zhǔn)，所有這些都使系統(tǒng)具有更高的集成度。

　　通信接口包括一個帶有片上收發(fā)器的 USB 全速/低速 On-the-Go 控制器、兩個 SPI 模塊和兩個用于連接系統(tǒng)中數(shù)字傳感器的 I 2 C 模塊，以及四個用于連接的 UART 模塊其他串行傳感器。還有一個 I 2 S 模塊可鏈接到系統(tǒng)中的其他控制器，以及一個用于顯示管理的低功耗硬件觸摸傳感器接口 （TSI）。

　　所有這些都由帶有 DSP 指令的 ARM Cortex-M4 內(nèi)核控制，每 MHz 提供 1.25 Dhrystone MIPS 并以高達 100 MHz 的速度運行，以最大限度地降低功耗。內(nèi)存支持包括高達 512 KB 的程序閃存、56 KB FlexNVM 的非易失性存儲器和高達 128 KB 的 RAM。一個 16 通道 DMA 控制器支持多達 63 個請求源，并允許從傳感器捕獲和存儲數(shù)據(jù)，而無需喚醒微控制器內(nèi)核，從而降低整體功耗并有助于減小設(shè)計尺寸。

　　圖 3：飛思卡爾的 MK50DX256CLK10 通過集成來自簡單電極的數(shù)據(jù)采集功能，用于心率測量貼片。

　　MK50DX256CLK10 可用于可穿戴心臟監(jiān)測貼片等應(yīng)用，其中來自電極的信號由運算放大器增強，并由 SAR ADC 轉(zhuǎn)換為 12 位分辨率的數(shù)字信號。然后，M4 內(nèi)核可以處理信號或?qū)⑺鼈儼l(fā)送到鏈接到基本單元的無線收發(fā)器。所有這些都可以集成到一個帶有柔性鋰離子電池的簡單貼片中，該貼片可以舒適地放置在患者的胸部以監(jiān)測活動，而無需復(fù)雜的胸帶和許多不同的電線。這種小型化水平提高了醫(yī)院的運營效率，并使患者的生活更加舒適。

　　然而，不僅僅是 32 位控制器可用于小型化監(jiān)測健康狀況的傳感器系統(tǒng)。Texas Instruments的 MSP430 16 位系列專注于低功耗和集成，為傳感器系統(tǒng)提供平臺。MSP430 系列針對監(jiān)測糖尿病的血糖儀和心率監(jiān)測器等應(yīng)用，利用片上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。MSP430AFE2x3是一款超低功耗混合信號微控制器，集成了三個獨立的 24 位 Σ-Δ ADC、一個 16 位定時器、一個 16 位硬件乘法器、USART 通信接口、看門狗定時器和十一個 I/O引腳。

　　同樣，超低功耗是最小化設(shè)計尺寸的關(guān)鍵考慮因素，該架構(gòu)具有五種低功耗模式，因此可以對其進行優(yōu)化，以延長便攜式測量應(yīng)用中的電池壽命。該器件具有一個 16 位 RISC CPU，帶有 16 位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，有助于最大限度地提高代碼效率，從而實現(xiàn)更小、更節(jié)能的設(shè)計。數(shù)控振蕩器 （DCO） 允許在不到 1 μs 的時間內(nèi)從低功耗模式喚醒到活動模式。

　　圖 4：德州儀器 （Texas Instruments） 的 MSP430AFE 系列將 sigma delta 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與 16 位 RISC 控制器集成在一起，用于緊湊、低功耗的健康監(jiān)測器設(shè)計。

　　結(jié)論

　　現(xiàn)代微控制器的高級集成極大地促進了健康監(jiān)視器的小型化，接近將絕大多數(shù)功能組合在單個芯片上的程度。系統(tǒng)開發(fā)人員總是需要單獨的傳感器以使他們的設(shè)計與眾不同，但系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集和模擬前端的小型化允許更多的健康監(jiān)測功能被包含在更小的外形尺寸中。仔細管理功耗的能力也允許足夠的電池壽命，但也意味著可以使用更小的電池來進一步減小系統(tǒng)的大小。

　　在靈活的總線上安裝數(shù)據(jù)采集外設(shè)也有助于減小系統(tǒng)尺寸，因為多個傳感器可以連接到同一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。只要功能是正交的并且不會同時使用傳感器，靈活性就可以實現(xiàn)更小的引腳排列，從而更小的占位面積。

　　然而，PulseOn 的例子表明越來越多的傳感器被一起使用——MEMS 加速度計與光學(xué)血流傳感器同時使用，以提高最終數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這為旨在將布局減小到盡可能小的系統(tǒng)尺寸的設(shè)計人員提出了更多挑戰(zhàn)，但也為縮小健康監(jiān)視器的尺寸和提高信息質(zhì)量提供了機會。