基于MAX32664的可穿戴光学测量方案

本文介绍MAX32664超低功耗微控制器作为生物识别传感器中枢测量心率、血氧、SpO2、睡眠、压力等。Maxim的生物测量算法与传感器中枢集成，精确到美国FDA标准，提供原始或处理后的数据，轻松减轻主机微控制器的负载。

介绍

基于光电容积脉搏波（PPG）技术的光学测量解决方案在日益流行的可穿戴市场中的应用越来越广泛。Maxim Integrated推出了一些全面的光学生物传感解决方案，旨在支持这些设备的健康监测功能。本文介绍这些传感器方案，重点介绍Maxim集成光学人体生理指标测量算法和MAX32664低功耗生物识别传感器集线器的性能和优势。

Maxim提供完整的光学生物传感解决方案

用于可穿戴设备的完整光学生物传感解决方案，包括四个主要部分：

性能卓越的传感器：Maxim Integrated推出了一系列适用于人耳、手腕、指尖、额头、腹部和其他测量身体部位的光学测量传感器。这些传感器测量生理特征，如心率 （HR）、心率变异性 （HRV）、血压趋势 （BPT） 和血氧饱和度 （SpO2).该系列产品具有小尺寸、低功耗和高信噪比（SNR）的特点，可为测量系统提供高质量的原始数据。

高性能、高精度人体生理指标测量算法：Maxim Integrated算法团队完成基本生理指标（HR、HRV、SpO）的测量2和BPT），并确定算法输出精度可以满足美国食品和药物管理局（FDA）的测量标准。此外，Maxim算法还可以创建支持高级应用的输出，如行为和运动检测以及睡眠监测。客户可以为特定应用选择不同的算法模块。所有算法都集成在MAX32664低功耗生物传感器集线器中，使主机微控制器单元（MCU）可以自由地执行系统中的其他任务，并消除所有类型的算法许可负担。

系统级设计仿真和验证：生理特征的测量需要涵盖不同的人群，以及肤色、体毛、血容量和其他可能影响测量结果的差异性生物因素的差异。光学测量方法在结构上容易受到环境光的干扰，其微小信号也会受到硬件设计中其他高频信号的干扰的影响。这些因素大大增加了产品设计的难度。Maxim Integrated可以提供完整的设计规范和参考设计，以支持结构和硬件设计过程。客户只需修改参考设计即可完成定制设计，大大缩短产品设计周期。

专业的临床验证指导：美信集成在产品开发过程中积累了丰富的临床验证经验，与世界各地的权威认证机构保持着良好的合作关系。这些宝贵的经验可用于指导客户进行相关权威机构的临床验证和认证。

回顾一下，Maxim Integrated 完整的光学生物传感开发解决方案为客户提供了选择产品功能的灵活性，从而大大缩短了产品设计周期和验证时间。他们还可以将解决方案无缝集成到自己的开发平台中，从而缩短上市时间。

传感器集线器简介

MAX32664是Maxim集成人体生理指数测量方案的一部分，具有用于可穿戴设备的嵌入式固件和算法。它可无缝实现客户所需的传感器功能，包括与Maxim集成光学传感器解决方案通信以及输出原始数据或算法数据。主机只需通过I读取MAX32664的输出2C接口获得所需的生物特征测量结果。图2给出了系统框图。

图2.系统框图。

图3.MAX32664硬件框图

传感器集线器的硬件介绍

MAX32664是Maxim集成的下一代超低功耗MCU之一。MAX32664（图3）具有以下特点：

卓越的计算能力：超低功耗的 Arm Cortex-M4 MCU，带有浮点单元 （FPU） 和最高工作时钟 （96MHz）。®®

高集成度：内置 256KB 闪存、96KB RAM、16KB 指令缓存和 14 个通用 I/O 引脚。

外设资源：一个 SPI/I2用于与传感器通信的 C 接口和一个 I2C接口，用于与主机通信;实时时钟 （RTC） 和 UART 支持。

微小尺寸：WLP（1.6 毫米 x 1.6 毫米 x 0.65 毫米）。

超低功耗：45μW/MHz @ 工作模式，85nW/KB @ 数据保留模式。

丰富的高性能算法

图4.算法模块框图。

Maxim集成算法团队在生理指标算法方面已经孜地工作了五年多。它开发了丰富的基础和高级应用算法。算法团队在这方面有一个长期规划，不仅要不断优化现有算法，还要开发新的应用算法。上述算法模块可以集成到MAX32664传感器中枢，主机通过I读取算法结果2C接口，大大缩短了开发周期。此外，每个传感器集线器变体都有参考设计，可显著缩短设计时间并立即收集数据进行评估。

算法模块（图 4）具有：

基本算法：

模拟前端（AFE）管理：控制光传感，计算信号质量，在不牺牲算法精度的情况下实现最低功耗，并选择最佳的光传感器驱动模式。

行为检测和运动补偿：对休息、跑步、骑行等基本活动进行分类，并对生理指标进行运动补偿。

心率检测：心率和心率。

SpO2测量：适用于手腕、额头和耳朵等。这是衡量睡眠质量的基本指标。

高级应用算法：

睡眠质量和状态。

BPT测量：现在仅支持指尖解决方案，精度可达FDA测量标准。呼吸频率。

Maxim Integrated推出了四种不同的算法解决方案，基于不同的测试站点和不同的光学测量传感器，以满足客户需求（图5）：

MAX32664 A版本：采用MAX30101/2光学测量模块，可测量心率、心率和色差2从指尖。

MAX32664 D版本：使用MAX30101/2光学测量模块，测量心率、心率、色差2，以及指尖的 BPT。

MAX32664 B版本：配备MAX86140/1光学测量AFE，该版本根据手腕或前额测量多种生理指标，包括HR、HRV、计步、卡路里计算和行为分类。

MAX32664 C版本：配备MAX86140/1光学测量AFE，可根据手腕或前额测量多种生理指标，包括心率、心率、SpO2、步数计算、卡路里计算和行为分类。

使用传感器集线器设计超低功耗应用

表 1.MAX32664模式和功耗（单位：mW）
 

 

操作模式	单电源 （VDD)	双电源 （VDD+ V核心)
积极	15.5664	9.64106
深度睡眠	0.00756	0.01383

 

MAX32664支持两种供电方式（表1）。采用不同的供电方式，MAX32664在有源模式下的功耗大不相同。如果主机的电源灵活可行，请选择双电源模式。

得益于Maxim集成算法团队的高效算法设计和MAX32664的高计算能力，MAX32664可以在很短的时间内计算出算法结果，并自动进入超低功耗深度睡眠模式。表2显示传感器中枢的平均计算时间小于5%，平均功耗低于0.8mW，降至0.43mW。

MAX32664进入深度睡眠模式后，主机只需下拉睡眠唤醒引脚MFIO即可唤醒，易于实现。

 

算法	CPU 的平均计算时间（百分比）	平均功耗（毫瓦）
单电源	双电源
持续心率 + 持续供氧	4.7%	0.74	0.47
连续心率	4.3%	0.68	0.43
单心率	4.3%	0.68	0.43
行为检测	4.3%	0.68	0.43

 

（五DD： 1.8V， V核心： 1.1V， CPU 时钟： 96MHZ， 传感器集线器测量间隔： 1s）

算法在线升级

MAX32664具有出厂设置的引导加载程序，支持I2C接口，允许算法的在线升级。换句话说，生物识别传感器中枢可以在出厂后升级到新的或更优化的算法。

审核编辑：郭婷