【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)需求正在持續(xù)上升，基于光電容積圖（PPG）技術(shù)的光學(xué)測(cè)量方法在穿戴市場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。Maxim針對(duì)可穿戴產(chǎn)品推出了完整的解決方案，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。本文將介紹Maxim針對(duì)可穿戴產(chǎn)品推出的完整的解決方案，并重點(diǎn)介紹Maxim的光學(xué)人體生理指標(biāo)測(cè)量算法和低功耗sensor hub MAX32664的性能和優(yōu)點(diǎn)。
Maxim提供完整的光學(xué)生物測(cè)量方案
圖1. 完整光學(xué)測(cè)量開發(fā)方案
圖1所示，一個(gè)完整的光學(xué)測(cè)量方案在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用，主要包含4部分：
● 性能卓越的傳感器：針對(duì)人體各項(xiàng)生理特征指標(biāo)測(cè)量，如心率、血壓飽和度、血氧等，Maxim推出了一系列光學(xué)測(cè)量傳感器，適用于人體的耳朵、手腕、指尖、額頭、腹部等多個(gè)測(cè)量部位。此系列產(chǎn)品均帶有體積小，功耗低，高信噪比SNR的特點(diǎn)，可為測(cè)量系統(tǒng)提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)raw data.
● 高性能高精度的人體生理指標(biāo)測(cè)量算法：Maxim算法團(tuán)隊(duì)完成了基本特征指標(biāo)的測(cè)量（心率、血氧飽和度和血壓），算法輸出精度均可達(dá)到FDA測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。此外，Maxim算法還可以輸出包括行為檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)信息和睡眠監(jiān)測(cè)等高級(jí)應(yīng)用結(jié)果。針對(duì)不同應(yīng)用，客戶可選擇不同算法模塊。所有算法均可集成到Maxim超低功耗sensor hub MAX32664中。
● 系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)仿真和設(shè)計(jì)驗(yàn)證：生理特征測(cè)量需要涵蓋不同人群，而人與人之間的膚色、體毛、血液容量等因素都有差異，這會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。光學(xué)測(cè)量方法，在結(jié)構(gòu)上容易受到環(huán)境光的干擾，在硬件設(shè)計(jì)上其微小的信號(hào)容易收到其它高頻信號(hào)的干擾。這些因素都會(huì)大大增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度。Maxim在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)上可以提供完整的設(shè)計(jì)規(guī)范和參考設(shè)計(jì)，客戶只要在參考設(shè)計(jì)上做簡(jiǎn)單的修改，即可完成客制化設(shè)計(jì)，大大減小產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
● 專業(yè)的醫(yī)療臨床驗(yàn)證指導(dǎo)：Maxim在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中積累了豐富的臨床驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，和國(guó)內(nèi)外的權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)也保持這良好的合作關(guān)系。這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)都可以用于指導(dǎo)客戶經(jīng)行產(chǎn)品的臨床驗(yàn)證和相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。
完整地解決方案，可以讓客戶靈活地選擇產(chǎn)品功能，大大地減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和驗(yàn)證時(shí)間，輕松無(wú)縫地把方案基礎(chǔ)到客戶開發(fā)臺(tái)，把產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
Sensor Hub概述
MAX32664是Maxim光學(xué)人體生理指標(biāo)測(cè)量整體方案一部分，其內(nèi)置固件和可穿戴設(shè)備算法。它實(shí)現(xiàn)與了Maxim的光學(xué)傳感器的通信，并執(zhí)行其生理指標(biāo)測(cè)量算法，向外部主機(jī)交付傳感器原始數(shù)據(jù)或算法數(shù)據(jù)，無(wú)縫地實(shí)現(xiàn)了客戶的需求。主控只需要通過(guò)I2C接口，讀取MAX32664的輸出結(jié)果，即可獲取所需的生物指標(biāo)測(cè)量結(jié)果。如下圖2是系統(tǒng)框圖：
圖2. 系統(tǒng)框圖
圖3. MAX32664 硬件框圖
Sensor Hub硬件介紹
MAX32664是Maxim新一代超低功MCU產(chǎn)品，硬件框圖如圖3，它具備如下特點(diǎn)：
● 超強(qiáng)運(yùn)算能力：超低功耗ARM M4核的MCU，帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU)，最高運(yùn)行時(shí)鐘96MHz
● 高集成度：自帶256KB flash、96KB RAM、16KB指令緩存、14個(gè)通用I/O引腳；
● 外設(shè)資源：一個(gè)SPI/I2C 接口完成與傳感器的通信，一個(gè)I2C slave與主機(jī)進(jìn)行通信；支持RTC和UART
● 超小體積：WLP(1.6mm x 1.6mm x 0.65mm)
● 超低功耗：工作模式：45uW/MHz，數(shù)據(jù)保持模式：85nW/KB
豐富的高性能算法
圖4. 算法模塊框圖
Maxim算法團(tuán)隊(duì)在生理指標(biāo)算法領(lǐng)域已經(jīng)默默耕耘超過(guò)五年，開發(fā)出了豐富的基礎(chǔ)算法和高級(jí)應(yīng)用算法。Maxim 算法團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃，不僅持續(xù)地對(duì)現(xiàn)有的算法進(jìn)行優(yōu)化，而且新的應(yīng)用算法也會(huì)不斷推出。以上算法模塊都可集成到sensor hub MAX32664中，主控通過(guò)I2C接口讀取算法結(jié)果即可，大大縮減開發(fā)周期。
如圖4，算法模塊主要包括：
基礎(chǔ)算法：
● AFE 管理：對(duì)光學(xué)傳感進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，在保證算法精度的前提上，以達(dá)到功耗最低地目的，選擇最優(yōu)的光學(xué)傳感器驅(qū)動(dòng)方式；
● 行為偵測(cè)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括休息、跑步、騎行等，同時(shí)對(duì)生理指標(biāo)檢測(cè)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；
● 心率檢測(cè)：包括心率與心率變化率；
● 血氧飽和度檢測(cè)：適用于手腕、額頭和耳朵等部位，這是測(cè)量睡眠質(zhì)量的基礎(chǔ)指標(biāo)；
高級(jí)應(yīng)用算法：
● 睡眠質(zhì)量和睡眠狀態(tài)；
● 血壓：目前只支持指尖方案，精度可達(dá)FDA測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；
● 呼吸率；
… …
基于不同測(cè)試部位的算法方案
圖5. 算法方案
如圖5所示，基于不同的測(cè)試部位，搭配不同的光學(xué)測(cè)量傳感器，Maxim推出了4種不同的算法方案，以滿足客戶根據(jù)需求：
● MAX32664 A版本：搭配光學(xué)測(cè)量模組MAX30101/2，實(shí)現(xiàn)基于指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)和血氧飽和度(SPO2)的測(cè)量。
● MAX32664 D版本：搭配光學(xué)測(cè)量模組MAX30101/2，實(shí)現(xiàn)基于指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)、血氧飽和度(SPO2)和血壓趨勢(shì)(BPT)的測(cè)量。
● MAX32664 B版本：搭配光學(xué)測(cè)量模擬前端(AFE) MAX86140/1, 實(shí)現(xiàn)基于手腕或額頭的多項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)量，包括：心率、心率變化率、步數(shù)、卡路里計(jì)算、行為類別檢測(cè)等。
● MAX32664 C版本：搭配光學(xué)測(cè)量模擬前端(AFE) MAX86140/1, 實(shí)現(xiàn)基于手腕或額頭的多項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)量，包括：心率、心率變化率、血氧飽和度、步數(shù)、卡路里計(jì)算、行為類別檢測(cè)等。
Sensor Hub超功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)
表1. MAX32664 模式與功耗
● MAX32664有兩種供電方式，如表1 所示，不同的供電方式，MAX32664 在active 模式中，功耗有較大差別。在主機(jī)供電靈活可行的基礎(chǔ)上，建議選擇雙供電方式。
● 得益于Maxim算法團(tuán)隊(duì)高效的算法設(shè)計(jì)和MAX32664強(qiáng)大的運(yùn)算能力，MAX32664可以在很短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出算法結(jié)果，并自動(dòng)進(jìn)入超低功耗的deep sleep 模式。如表2所示，sensor hub 的平均計(jì)算時(shí)間均<5%，平均功耗都<0.8mW，最低可達(dá)0.43mW。
● MAX32664進(jìn)入deep sleep 模式后，主控只需要拉低睡眠喚醒引腳MFIO即可做喚醒，操作方便實(shí)現(xiàn)。
表2. MAX32664 平均功耗
(VDD: 1.8V, VCORE:1.1V, CPU 時(shí)鐘: 96MHZ, Sensor Hub測(cè)量間隔：1秒/次)
算法在線升級(jí)
MAX32664在出廠前，均已經(jīng)燒錄支持I2C接口的bootloader，支持在線燒錄升級(jí)功能。產(chǎn)品上市后，Maxim新推出或更優(yōu)化的算法仍然可以得到升級(jí)。
參考文獻(xiàn)
1. MAX32664數(shù)據(jù)手冊(cè)
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX32664.pdf
2. MAX30101數(shù)據(jù)手冊(cè)
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30101.pdf
3. MAX86140數(shù)據(jù)手冊(cè)
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX86140.pdf
4. MAX32664用戶指南
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6806
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