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心率手环

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心率?测量

本文°引用地?址:http://www.﹢eepw.com?.cn/arti℉cle/201906/?401?978.htm

?目前市场上心率测量主要有电势测量和光电测量两种方法。电势测量是一种比较传统的测量方法,该方法通过获取心?电信号,经过R-R峰值检测获得心率。而光电测量在穿戴市场方面比较流行,其测量基于“光电容积图?”(PPG)技术。该方法?利用了血液对?绿光或其它光的吸收性,通过测量反射或透射光强的变化℃来反映血流㏑?量的变化,也即心脏的收缩和舒张,从而得到对应的心率数据。这种方法的基本原理是当光照透过皮肤组织后再反射到光敏传感器时,光会有一定的衰减。而有些衰减,像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等对光的吸收是基本不变的,?但是血ml液不同,由于动脉?里?有血液的流?动,那么对光的吸收会有所变化。当我们把光转换成电信号时,正是由于动脉对光的吸收有变化而⊙其他组织对光的吸mol收基本不?变,得到的信号≮就可以≤分为直流DC信号和交流?AC信号。提取其中的AC信号,就能反应出血?液流动的特∵?点,从而得到心率和其它生理参数。大部分的腕带?式心率测量设备都采用了这种反射式测量方法,我们这款设计也是采用了反射的PPG技术。

系统架构㏄

图1所示为本设¥计框图。该设计采用3.7V 锂电池供电,?US∞B 对其充电,¥整个电源管理采用+了Maxim SI∪M?O技术的集 成电源管?理芯?片M?AX77651B。对PPG的处∽理,设计采用了Max∷im最新的高性能处理前端MAX30112。而处理器用的是Maxi♂?m3专门针对穿戴等应用场合的MAX3?2660。整个板子的尺寸(包括所有元件)是36@?mm*14mm,可以嵌入到目前市场上绝大部分流行的手环带中。

图1. 设计系∫统框图

㏒图2. MAX30112 结?构框图

模拟集成前端

MAX<30112是Maxim公司完整的光学血氧和??£心◎率检测模拟前端(A1FE),具有19位高分辨率,并内置了环境光消除电路和噪声消除电路,可以有效的去除%噪声,提高信噪比。芯片集成了高达200mA的电流LED驱动电路?,并可以通过内置D≦AC准确调节电流大小,以适=应不同的测量场合和人群。MAX30112是﹣腕式±应∮用的极低功耗的高性能心率/血氧检测解决方案,主电源1.8V,支持标准I2C兼容接口,体积只有?2.8mm x 2.0mm,主要用在腕式可穿戴设备,心率和SpO2监测设备以及健身㎡可穿戴?设备上。

∧处理器单元?与心率算法?

MAX326?60是带∴有浮点运算单元 (FPU)的超低功∩耗ARM M4核的MCU,自带256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个※通用I/O引脚,采用简单的SWD编程。其内部振荡器工作频率♀高达9?6*MHz,支持SPI∑,UART?和I2C/通信。 它集?成了‰优化的电源管理单元,待机电流只有2uA,可以最大程度延长电池的工作时间㈱。MAX326?60的超低待机功耗,灵活的电源配置,超小体积(1.6m⊥m x 1.6mm),使其非常适合可穿戴设计应用?,包*括运动手表,手环,健身设备,可穿戴医用贴片,手持医疗设备和物联网(IoT)等应用。本设计中,MAX32660处理?各种软件?工作,还包括一款动态心率算法。

图3. MAX32660 结构框图

图4?. MAX32660 软件流程图

模拟前端测试:MAX30112作为信号处理的核心部分,其信噪比㎞直接决∏定了整个设计的性能,??下图是几位测试对象?的信号输出波形,可以看到PPG波形质量很好,完全可以满足各种算?法要求。

lady?_″w1, 30years o?ld, wrist, HR=8㏕心率手环4

Kid boy_f3, 9 years ol?d, wrist,¢ HR=72

man_l4, 42 years old?, wrist, HR=76

?man_f6, 42 ﹣×years old, wrist, HR=68?

信号·处理测试:?为了说㎜明效果,我们专门开发∝了静态的心率算法,该算法可以根据测试对象特点进行自动跟踪调整测量参数?。我们随机?抽取了几组测量对象?,和目前市场上流行?的手环产品对?比。以下是测试对比表。?

Table 1. 测试对比表(测试条件:手腕,共6名测试者§)?

电源管理系统

穿戴设备都是电池供电,对工作时间?有一定要求,同时对体积也有严格要求,希望越小越好。比如本设计要求在120mAH的电池下,可连续工作24?小时,待机可以达到2周。因此,电源管?理系统就显得尤为重要。小尺寸、锂电池供电设备的大多≈数PMIC≠还会需要其它附加器件,例如booost、buck或低压差(LDO)稳压器、充电管理器﹥或用于LED显示器的电流调节?器。为节省空间、提高效率,MAX77651将上述功能全部集成在一起,构成完整的电源方案,而面积只有19.2mm?m?2? ,基本是当⊿前市场上£类似方案尺寸的1/2。MAX77651另一个显著特点是采用单电感多输出(SIMO) buck-boost架构,凭借独特的?内部控制系统实现?单个电感提供三路电源输出,并结合150mA ?LDO和三路灌电流驱动器,大大减少板级元器件数量,最大程≌度﹤地增大电路板可用空间。为提高设计灵活性,M∟AX77651分别支持最高3.3V和5V工作电压,同时也提供各种工厂编程㎝选项?,允许客户根据自身需求量身定制方案,使产品快速上市,≯是一款理想的低功耗设计应用?的芯片。≥因此,MAX77651具有超低待机功耗(0?.∈3uA),高效率,少器件,小尺寸的显著优势。下图是采用Maxim SmIMO方案和传统电源方案的一个示例对比测试。

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图5. SIMO方案和传统电源方案对比

?图 6. MAX>?77651 应用框图 ∣ 

μ电源测试:系统既有-高精度模拟电源,也有数字电源,而我们设计采?用的是单一集成℅的电源方案,因此其性能对系﹢统精度极′为重要。电路设计?和PCB布线一?定要以数据手册要求为主,⌒尤其重点要注∶意以下几点:

一是IN_SBB和SBBx的电?容要尽可能的靠近管脚,尽量不要有过孔;

二是SBBx的输出走线尽可能短,减少和负载端的分布参数;

三是由于SIMO 是高÷度集成方案,外围器件很少,主∷要就一个电感和几个电容,?所以整个尺寸很小。为了保证性能,需要多层布板,建议4层或以上,¬保证有单?独的电源层和地层。

下图是本参考设计测试的MAX773651B 输出波?形,可以看到纹波最?大×是40mVpp。?这是单一电感3输出的效果,性能完全可以接受?。

图7.℡ MAXREFDES120㎏7电∥源纹波测试

测试

图8是本设计的产品,我们所有测试都是基于它进行的测试。

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图8. MAXREFDES1207

参考文献:

1. MAX30112数据手册,Maxim Integrated≡ Products http≧s://www.maximintegrated.com/en/prod?ucts/?sensors/MAX30112.№htm2l

2.㎎ MAX77651数据手?册,Maxim I?ntegrated Product?s https://www.maximintegrated.com/en/produ?cts/po=wer/switching-regulators/MAX?77651.html

3?. 〒MAX77650/MAX776?51 编程手≒册,Maxim Integrated Products

ht∠tps://www⊕.maximintegrated.com/en/app-?note?s/ind?e∨x.¤mvp/id/6428

4. MAX32660数据手册,Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/p√roduct%s/microcontrollers/MAX32660.html

5 ?. MAX32660 用户编程手册?,Maxim? Integrated Products

h‖ttps://www.maximintegrated.com/en/?app-notes/in?dex.mvp/id?/6659

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