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(xiàng)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(jì)人員能夠?qū)⑵湓O(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)心率測量，并且在微控制器上運(yùn)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(jì)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(jìn)行了測試。加速度計(jì)通過跟蹤系統(tǒng)中的手部運(yùn)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(shí)際心臟脈搏的信號和僅由手部運(yùn)動引起的噪聲。加速度計(jì)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(jì)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?！巴瑯又匾氖牵@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(jì)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(yùn)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?yàn)檩^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(yùn)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(dá) 100 MHz 的速度運(yùn)行，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 FlexNVM 的非易失性存儲器和高達(dá) 128 KB 的 RAM。一個 16 通道 DMA 控制器支持多達(dá) 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(jì)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(yùn)算放大器增強(qiáng)，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(yùn)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(dú)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(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)更小、更節(jié)能的設(shè)計(jì)。數(shù)控振蕩器 （DCO） 允許在不到 1 ?s 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(jì)。
結(jié)論
現(xiàn)代微控制器的高級集成極大地促進(jìn)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(dú)的傳感器以使他們的設(shè)計(jì)與眾不同，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xì)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(jìn)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?yàn)槎鄠€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(shí)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(jì)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(jì)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(jī)會。
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