采用小型化設(shè)計(jì)的可穿戴健康監(jiān)測(cè)器

可穿戴傳感器的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是健康監(jiān)測(cè)，小型化是該技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。能夠?qū)⒍鄠€(gè)傳感器和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)集成在與微控制器相同的設(shè)備上，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒃O(shè)備的設(shè)計(jì)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(cè)器使用STMicroelectronics的定制微機(jī)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(cè)量，并且在微控制器上運(yùn)行的算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為每個(gè)人的有意義的個(gè)性化反饋。

MEMS加速度計(jì)將心率測(cè)量精度和可靠性保持在由一個(gè)心電圖，并已在各種條件下進(jìn)行測(cè)試，從缺乏身體活動(dòng)到高水平的心血管活動(dòng)。加速度計(jì)通過跟蹤系統(tǒng)中的手部運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)來消除光學(xué)血流檢測(cè)中的噪聲，從而系統(tǒng)可以區(qū)分代表實(shí)際心臟脈沖的信號(hào)和僅僅是手部運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。加速度計(jì)還決定了佩戴者的身體活動(dòng)水平。

圖1：PulseOn的智能可穿戴健康監(jiān)測(cè)儀使用MEMS加速度計(jì)和STMicroelectronics的高度集成控制器提高血壓測(cè)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(cè)量技術(shù)，產(chǎn)生可靠的結(jié)果包括休息期間的節(jié)拍準(zhǔn)確性，“PulseOn工程主管Jari Nousiainen說。 “同樣重要的是，通過創(chuàng)造市場(chǎng)上最小巧，最精確的腕戴式心率監(jiān)測(cè)儀，設(shè)備的微小尺寸和能量預(yù)算成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！?/p>

另一種小型化的方法健康監(jiān)視器將盡可能多的數(shù)據(jù)捕獲集成在一個(gè)芯片上。 ADI公司的ADuCM350是一款高精度片上電路，設(shè)計(jì)用于便攜式設(shè)備應(yīng)用中的紐扣電池，如床邊診斷和可穿戴設(shè)備。通過將模擬前端的電流，伏安和阻抗測(cè)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中使用各種傳感器，從而減小系統(tǒng)的整體尺寸。它使用16位，精密，160 kSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）; 0.17％精密電壓基準(zhǔn); 12位，無丟碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）;和可重配置的超低漏電開關(guān)矩陣。還有一個(gè)溫度傳感器，精度為±1°C，溫度范圍為0°C至50°C。

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

圖2：ADuCM350將運(yùn)行狀況監(jiān)視器所需的所有元件集成到芯片級(jí)封裝的單個(gè)芯片上。

為了保持系統(tǒng)尺寸不變，所有這些都包裝在120 -lead，8 mm×8 mm芯片級(jí)球柵陣列（CSP_BGA），工作溫度范圍為-40°C至+ 85°C，可滿足多種不同環(huán)境的需求。

當(dāng)然，功率是系統(tǒng)小型化的重要考慮因素，因?yàn)檩^低的功率允許更小的電池。因此，ADuCM350具有一系列功耗模式，如動(dòng)態(tài)和軟件控制的時(shí)鐘和電源門控。

飛思卡爾半導(dǎo)體的MK50DX256CLK10同樣針對(duì)小型化傳感器應(yīng)用，具有多種集成外設(shè)。其中包括兩個(gè)16位逐次逼近型SAR ADC，一個(gè)集成在每個(gè)ADC中的可編程增益放大器（PGA）（高達(dá)x64），以及兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)跨阻抗放大器。對(duì)于數(shù)據(jù)輸出，有兩個(gè)12位DAC，三個(gè)模擬比較器（CMP）包含一個(gè)6位DAC和可編程參考輸入和一個(gè)電壓參考，所有這些都允許系統(tǒng)更高度集成。

通信接口包括帶有片上收發(fā)器的USB全速/低速On-the-Go控制器，兩個(gè)SPI模塊和兩個(gè)I 2 C模塊，用于連接數(shù)字系統(tǒng)中的傳感器，以及連接到其他串行傳感器的四個(gè)UART模塊。還有一個(gè)I 2 S模塊鏈接到系統(tǒng)中的其他控制器和一個(gè)用于顯示管理的低功耗硬件觸摸傳感器接口（TSI）。

所有這些都是由帶有DSP指令的ARM Cortex-M4內(nèi)核控制，每MHz提供1.25 Dhrystone MIPS，運(yùn)行頻率高達(dá)100 MHz，以最大限度地降低功耗。內(nèi)存支持包括高達(dá)512 KB的程序閃存，56 KB的非易失性存儲(chǔ)器FlexNVM和高達(dá)128 KB的RAM。 16通道DMA控制器支持多達(dá)63個(gè)請(qǐng)求源，允許從傳感器捕獲數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，而無需喚醒微控制器內(nèi)核，從而降低總體功耗并有助于減小設(shè)計(jì)尺寸。

圖3：飛思卡爾的MK50DX256CLK10通過集成簡(jiǎn)單電極的數(shù)據(jù)捕獲功能，用于心率測(cè)量補(bǔ)丁。

MK50DX256CLK10可用于可穿戴式心臟監(jiān)測(cè)貼片等應(yīng)用，其中來自電極的信號(hào)由運(yùn)算放大器提升，并由SAR ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，分辨率為12位。然后，M4內(nèi)核可以處理信號(hào)或?qū)⑵浒l(fā)送到鏈接到基本單元的無線收發(fā)器。所有這一切都可以集成到一個(gè)簡(jiǎn)單的粘合劑貼片中，該貼片帶有柔性鋰離子電池，可以舒適地放在患者的胸部，以監(jiān)控活動(dòng)，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)院的操作效率，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(cè)健康狀況的傳感器系統(tǒng)。德州儀器（TI）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(tái)。用于監(jiān)測(cè)糖尿病和心率監(jiān)測(cè)器的血糖儀等應(yīng)用是MSP430系列的目標(biāo)，利用片上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。 MSP430AFE2x3是一款超低功耗混合信號(hào)微控制器，集成了三個(gè)獨(dú)立的24位Σ-ΔADC，一個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)16位硬件乘法器，USART通信接口，看門狗定時(shí)器和十一個(gè)I/O.引腳。

同樣，超低功耗是最小化設(shè)計(jì)尺寸的關(guān)鍵考慮因素，并且該架構(gòu)具有五種低功耗模式，因此可以針對(duì)便攜式測(cè)量應(yīng)用中的延長(zhǎng)電池壽命進(jìn)行優(yōu)化。該器件具有16位RISC CPU，具有16位寄存器和恒定發(fā)生器，有助于實(shí)現(xiàn)最高的代碼效率，因此可實(shí)現(xiàn)更小，更節(jié)能的設(shè)計(jì)。數(shù)字控制振蕩器（DCO）允許在不到1μs的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式喚醒到活動(dòng)模式。

圖4：德州儀器（TI）的MSP430AFE系列集成了Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器和16位RISC控制器，可實(shí)現(xiàn)緊湊，低功耗的健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

現(xiàn)代微控制器的高級(jí)集成是為健康監(jiān)視器的小型化做出了巨大貢獻(xiàn)，接近了將絕大多數(shù)功能組合在一個(gè)芯片上的程度。系統(tǒng)開發(fā)人員總是需要單獨(dú)的傳感器來區(qū)分他們的設(shè)計(jì)，但是小型化數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬前端允許更多的健康監(jiān)測(cè)功能被包含在更小的形狀因子中。仔細(xì)管理功耗的能力還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(jìn)一步減小系統(tǒng)的尺寸。

在靈活總線上安裝數(shù)據(jù)采集外設(shè)還有助于減小系統(tǒng)尺寸，因?yàn)槎鄠€(gè)傳感器可以鏈接到相同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。只要功能正交并且傳感器不會(huì)同時(shí)使用，靈活性就可以實(shí)現(xiàn)更小的引腳排列，因此占用空間更小。

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(jì)與光學(xué)血流傳感器同時(shí)使用，以提高最終數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這為設(shè)計(jì)師帶來了更多的挑戰(zhàn)，他們的目標(biāo)是將布局縮小到盡可能小的系統(tǒng)尺寸，但同時(shí)也為縮小健康監(jiān)視器的大小和提高信息質(zhì)量提供了機(jī)會(huì)。