可穿戴健康、保健和健身市場發展非常迅速，幾乎每周都會出現新產品。低成本、低功耗微控制器的可用性和廣泛的無線連接有助于推動便攜性和個人健身監視器新市場的增長。

　　對于設計團隊來說，開發一種新的健康或健身設備通常意味著將以前存在于床邊設備中的功能壓縮成易于攜帶，甚至可以綁在手腕上的尺寸。市場的速度也帶來了問題：花費數月來評估設備和開發定制硬件來驗證一個概念可能會導致新產品遲到，甚至完全錯過市場窗口。

　　本文將著眼于兩種常見的可穿戴健康設備的示例，并確定它們共享的傳感、處理和通信功能。然后，它將介紹并展示如何開始使用具有這些必要特性并解決與可穿戴設備相關的許多設計問題的參考設計平臺。

　　便攜式醫療設備示例

　　哪些組件構成了這些便攜式醫療和健身設計的核心？讓我們看幾個例子：

　　脈搏血氧儀：脈搏血氧儀測量動脈血中的氧飽和度，以確保有足夠的氧合：用戶包括有呼吸問題的人、接受麻醉的患者以及早產兒或新生兒。

　　脈搏血氧儀是非侵入性的。最常見的傳感方法通過通過手指、腳趾或耳朵傳輸紅色和紅外線 （IR） 光并測量兩個接收波長的比率來測量氧氣水平。血液中的含氧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的紅光。

　　在典型設計中，手指安裝夾包含兩個 LED 發射器、一個用于測量吸光度的光電二極管傳感器和一個用于傳輸唯一序列標識號的串行鏈路（圖 2）。

　　圖 ：典型脈搏血氧儀的框圖顯示了光傳輸、傳感、信號調節、控制、通信和顯示階段。（圖片來源：美信集成）

　　主單元包含一個微控制器，它接收和處理模擬傳感器信息、驅動 LED、通過顯示器將結果通知用戶，并通過有線或無線鏈路傳輸結果。

　　夾子通過電纜連接到主機，但有些血氧儀將所有電子設備包含在一個手指安裝的設備中。

　　健身監視器：健身監視器跟蹤和記錄身體活動，以幫助改善身體健康。典型的設備會跟蹤心率、溫度、時間和距離等指標。與脈搏血氧儀一樣，它通常由兩個不同的單元組成：傳感器和接收器或顯示單元（圖 3）。

　　圖 ：用于健身應用的心率胸帶和手表顯示屏。表帶（頂部）容納傳感器和 MCU，并傳輸到手表（底部），在那里可以進行更復雜的操作和數據轉發。（圖片來源：美信集成）

　　傳感部分由一個帶有心率和溫度傳感器的胸帶組成。它在數據轉換階段之前提供心臟信號的調節。然后它將數據無線傳輸到接收器。接收器可以是收集信息以直接顯示的手表?；蛘撸直砜梢灾匦聜鬏數?PC 或直接傳輸到云端以進行數據記錄和進一步分析。一些體育課甚至在大屏幕上顯示所有成員的統計數據，以進行激勵和監控。

　　可穿戴設備架構共性

　　比較這些醫療和可穿戴設備的架構，很明顯它們有許多共同點：

　　一個或多個專用傳感器測量生物信息。感興趣的參數通常在本質上是模擬的；正如我們所見，許多設備測量多個項目。

　　模擬前端 （AFE） 捕獲并處理傳感器信息。AFE 通常包含前端信號調理電路，例如運算放大器、跨阻放大器 （ TIA ） 或可編程增益放大器 （PGA）；前端設備的輸出饋入精密模數轉換器 （ ADC ）。

　　低功耗微控制器控制和協調其他組件的操作。低功耗模式使微控制器大部分時間處于睡眠模式并定期喚醒以進行測量或響應傳入數據，從而最大限度地延長電池壽命。該微控制器還包括安全功能，可防止未經授權訪問患者或用戶數據。

　　電源模塊由穩壓器、電壓基準、保護電路、電池和電池管理電路組成。電壓調節器可以包括線性和開關拓撲。如果電池是可充電的，還有一個有線或無線充電器。

　　有線或無線數據端口與其他設備交換信息。根據應用的不同，常用接口包括 USB、Wi-Fi （IEEE 802.11） 和藍牙低功耗 （BLE）。

　　最后，還有一個人機界面 （HMI） 來顯示結果并接受用戶輸入。HMI 通常包括顯示器、開關、揚聲器，可能還有麥克風，以及隨附的接口組件，例如顯示驅動器、A??DC 和數模轉換器 （DAC）。

　　相似之處不僅限于硬件：它們還有許多共同的軟件元素。例如，數據安全對于健康和健身應用都至關重要。加密和身份驗證是大多數設計中的關鍵組件。如果產品用于醫療環境，健康保險流通與責任法案 （HIPAA） 等法規可能要求設計安全性。其他常見的軟件元素包括 BLE 或 USB 堆棧、顯示驅動程序或用戶界面例程。

　　現成的開發平臺可縮短上市時間

　　設計可穿戴健康或健身產品可能很復雜，但設計師可能經常面臨巨大的上市時間壓力。由于許多便攜式健康和健身產品具有與上述兩者相似的要求，因此組件供應商正在通過提供現成的開發平臺來幫助縮短開發時間。這些可以構成多種健康和健身應用的基礎。

　　例如， Maxim Integrated 的MAXREFDES100# hSensor 平臺將所有硬件構建模塊都包含在一塊 PC 板上。它還具有通過 ARM mbed 硬件開發套件 （HDK） 輕松訪問的硬件功能。

　　hSensor 平臺包括一個 hSensor 板、帶驅動程序的固件、一個圖形用戶界面 （GUI） 和一個調試器板。

　　固件源代碼可在Maxim 的網站上獲得，因此設計人員可以加載算法以使平臺適應不同的用例。客戶可以下載固件以優化設計、加快評估速度并顯著縮短上市時間。原理圖、材料清單 （BOM）、布局文件、Gerber 文件和軟件也可在線獲取。

　　hSensor 平臺中的組件專為便攜式和可穿戴應用而設計，具有降低整體功耗的功能。該板的尺寸為 25.4 毫米 x 30.5 毫米，足夠小以適應基于胸部、基于手臂、基于手腕、基于手指和基于耳朵的臨床或健身應用。

　　圖 ：hSensor 平臺包括許多常見的健康和健身構建塊。（圖片來源：美信集成）

　　傳感器和 AFE 電路

　　該平臺包括用于許多常見健康和健身功能的傳感器。它可以測量皮膚溫度和心率，并支持心電圖、肌電圖（EMG）和腦電圖（EEG）等多種生物電勢測量。對于健身手環應用，加速度計/陀螺儀組合可感應運動和旋轉；該平臺還包括一個氣壓傳感器。

　　幾個專門的設備支持生物學功能。例如，MAX30101光學傳感器集成了光學和電氣功能，可制成高靈敏度脈搏血氧儀和心率傳感器。

　　圖 ：MAX30101 是一款單芯片脈搏血氧飽和度傳感器，包含光學和電子元件。（圖片來源：美信集成）

　　MAX30101 將紅色、綠色和 IR LED、光電二極管和 AFE 電路（如 18 位 delta-sigma ADC）與環境光消除相結合。通信由工業標準 I 2 C 接口提供。當用戶的手指不在傳感器附近時，接近功能可降低功耗。

　　MAX30205臨床級溫度傳感器提供 0.1°C 精度和 16 位分辨率。它針對低電壓 （2.7 V – 3.3 V） 和低電流 （600 μA） 操作的可穿戴設備進行了優化。該部件包括一個過熱警報并通過一個 I 2 C 端口進行通信。當焊接在生產印刷電路板上時，其精度符合 ASTM E1112 的臨床測溫規范。

　　MAX30003單通道集成生物電勢 AFE 為 ECG 應用提供接口。信號鏈包括一個輸入多路復用器和一個儀表放大器，后面是一個具有可選截止頻率的低通濾波器和一個 PGA。

　　與其他 hSensor 器件一樣，該器件有助于延長電池壽命，在 1.1 V 工作電壓下功耗僅為 85 μW。它還包括一個功能，可讓部件保持深度睡眠模式，直到它檢測到有效的 ECG 導聯。為了進一步降低功耗，可配置的中斷只能在每次心跳時喚醒微控制器。

　　微控制器

　　該控制器是基于 32 位 ARM? Cortex?-M4F 內核和浮點控制器的超低功耗微控制器。與其他 hSensor 組件一樣，該微控制器針對可穿戴設備進行了優化，具有四種靈活的電源模式和固件控制的電源門控，可最大限度地降低功耗。該器件包括一個帶有可選電壓基準的四輸入、10 位 ADC，以及包括 SPI、UART 和 I 2 C 串行接口的通信選項，以及一個集成的 USB 2.0 收發器和一個 1-Wire 主模塊。

　　電源塊

　　MAX14720是電源管理模塊的核心。該器件專為空間受限的電池供電應用而設計，集成了電源開關、線性穩壓器、降壓穩壓器和降壓-升壓穩壓器。一個外部按鈕控制 MAX14720 電源排序：三秒按下打開 PMIC，然后在 20 秒后將其關閉。

　　數據通訊

　　hSensor 平臺包括有線和無線通信端口。該微控制器通過可逆 USB Type-C 連接器提供 USB 2.0，以最小化電路板尺寸。無線 BLE 通信由 EM Microelectronics 完全集成的單芯片控制器提供，使 hSensor 平臺能夠充當 BLE 主設備或從設備。

　　軟件支持

　　軟件支持包括 PC 和 Android。PC 應用程序提供了一個 GUI，允許使用 USB 來配置系統和讀取傳感器數據。Android 應用程序提供 BLE 功能。

　　開發人員可以使用 ARM mbed 開發環境自定義平臺操作。該參考設計包括 MAXREFDES100HDK# 編程適配器，它為固件更新提供無驅動程序拖放編程，以及一個虛擬 UART 接口和一個與 ARM 的 CMSIS-DAP 接口固件兼容的調試器。

　　固件使用圖 所示的中斷驅動模型。上電后，微控制器將電源管理設備和傳感器配置為默認設置。然后它等待來自 GUI 或 Android 應用程序的遠程過程調用 （RPC）。

　　圖 ：MAXREFDES100# 的固件流程圖（版本 10）基于中斷驅動模型。（圖片來源：美信集成）

　　結論

　　用于健康或健身市場的可穿戴產品必須滿足嚴格的性能要求，消耗最少的功率，并且可以裝入極小的封裝中。設計必須結合專用傳感器、精密模擬電路、數字控制以及有線或無線通信。

　　對于健康傳感器應用，工作硬件和固件平臺允許設計人員快速驗證概念，或使用平臺的現有功能作為新設計的基礎。

　　Maxim 的 MAXREFDES100# 參考設計提供了這樣一個平臺。它針對此應用進行了優化，帶有經過設計和測試的模塊，可簡化設計并縮短上市時間。它包括帶有多個健康相關傳感器的 hSensor 平臺和一個行業標準的 ARM 核心微控制器，以及一個完整的可下載源代碼的強大軟件生態系統。

　　使用這些組件，設計人員可以快速配置基礎設計，專注于產品的差異化功能，并大幅縮短產品上市時間。在快節奏的健康和健身可穿戴設備市場中，這可能是成功與失敗的區別。

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