第二代可穿戴设备背后的传感器

人口正在老龄化，越来越多的人需要医疗保健支持，这对医疗保健的整体支出产生了重大影响。因此，当局和健康保险公司更加重视预防、健康意识和生活方式。这不仅仅是锻炼更多或更好的营养摄入量，而且一般来说，人们对监测某些重要的身体参数更感兴趣。这就是为什么智能和健康手表业务的公司在过去几年中收入增长的原因。

购买健康手表和测量身体参数并不意味着您以更健康的方式生活。诀窍在于，您需要在较长时间内监测某些身体参数，以熟悉这些数字，并使用它们来调整您的日常生活以改善。这个过程可以帮助您更好地了解身体的运作方式以及如何长期降低健康成本。

本文介绍了ADI公司最新的可穿戴VSM平台和所使用的传感器技术。ADI不是最终产品的制造商。然而，该平台旨在作为参考，帮助电子设计师和系统架构师加快开发过程，同时为专业和医疗市场设计新的、更智能、更准确的可穿戴设备。

我们在测量什么？如何以及在哪里？

使用可穿戴设备可以测量各种重要参数。根据总体目标，某些参数比其他参数更重要。可穿戴设备在身体上的位置对可以测量和不能测量的内容有很大的影响。最明显的位置是手腕。我们习惯于在手腕上佩戴设备，这就是为什么市场上有这么多产品（如智能手表和腕戴式设备）的原因。除了在手腕上测量外，头部是可穿戴设备的另一个好位置。例如，耳机和耳塞提供不同的样式，其中包含嵌入式传感器，用于测量心率、血氧饱和度和温度等参数。可穿戴设备在身体上的第三个位置是胸部。第一代心率监测器是围绕胸带设计的，这种生物电位测量方法仍然是一种非常准确的技术。不过，今天我们倾向于使用胸贴，因为表带佩戴起来不是很舒服。几家制造商参与了智能贴片的设计，以监测重要参数。

根据身体位置的不同，我们不仅要选择可以测量哪些参数，还要选择应该使用什么技术。例如，对于心率测量，生物电位测量是最古老的技术之一。信号很强，很容易通过使用两个或多个电极从体内检索。对于这种方法，将电路集成到胸带或耳机中是完美的。然而，在手腕等单个点测量生物电位信号几乎是不可能的。您需要测量产生这些电信号的整个心脏。对于单点测量，光学技术更为合适。光被发送到组织中，由于动脉中的血流，其反射被捕获和测量。从这个光学接收信号中，可以检索逐拍信息。这项技术听起来相当简单，但是，有几个挑战和影响因素会使设计变得非常困难，例如运动和环境光。

ADI公司第二代可穿戴设备参考平台具有上述大多数技术。该设备设计为戴在手腕上。但是，您也可以取下软腰带并将设备连接到胸部以将其用作智能贴片。该设备包括支持生物电位测量、光学心率测量、生物阻抗测量、运动跟踪和温度测量的技术，所有这些都集成在一个微型电池供电设备中。

基本信息

ADI公司为何设计像第二代可穿戴设备这样的系统？像这样的系统的目标是能够评估各种传感技术，并以简单的方式测量身体上的几个重要参数。这些测量结果可以存储到闪存中，也可以通过BLE无线连接发送到智能设备。由于测量是同时进行的，因此它还可以帮助找到多个参数之间的相关性。生物医学工程师、算法提供商和企业家一直在寻找新技术、应用和用例，以便在早期阶段检测疾病，以尽量减少后期可能对身体产生的负面影响或损害。

传感器正在制造设备

该设备围绕两个PCB设计，这些PCB堆叠成三明治。主板包含一个低功耗处理器、一个BLE无线电和完整的电源管理部分，包括电池调节和充电。第二块板支持所有传感技术。

用于PPG测量（光电容积描记图）的光学系统围绕ADI公司的第二代光学模拟前端ADPD107构建。ADPD系列的框图如图2所示。

图2.ADPD105/ADPD106/ADPD107的框图。

ADPD107用作完整的收发器，驱动系统中的LED，并测量来自光电二极管的返回信号。目标是测量给定的LED电流消耗量（电流传输比）尽可能高的光电流。输入接收信号链围绕可配置的跨阻放大器设计，增益可以四级编程，最高可达200k。第二阶段负责环境光抑制。环境光干扰源是一个大问题，尤其是在调制光时，例如带有LED或节能灯的固态照明系统。环境光抑制模块包含一个带通滤波器，后跟一个积分器，以支持同步解调。这是一个关键功能，可以非常有效地抑制外部光干扰。无论出于何种原因，当不需要环境光抑制级时，可以完全绕过该模块。

光学系统利用光脉冲。有三个LED电流源，完全可编程。最大 LED 电流可编程，最高可达 370 mA。此外，脉冲宽度是可编程的，可以窄至1 μs。但是，为了获得良好的信号响应，脉冲宽度应在2 μs至3 μs左右。通常，当模数转换器对与脉冲LED发射脉冲相关的光电二极管接收信号进行采样时，会给出一系列LED脉冲。数字引擎能够平均多个样本，以增加整体有效位数。

除了光学系统，机械设计也对整体性能有重大影响。在该第二代器件中，光学元件被选为分立器件。这在光电二极管选择和LED波长以及机械约束（如LED和光电二极管之间的间距）方面提供了很大的灵活性。第二代器件支持两个绿色 LED、一个红色 LED 和一个红外 LED。对于那些在设计光学系统方面没有太多经验的人来说，集成一个完整的光学模块可能更容易。

在光电二极管的数量、尺寸和 LED 波长的选择方面有不同的口味。最新的模块的开发方式使得即使安装在塑料窗口后面，它们也能显示出出色的光学性能。第一代需要分体窗来抑制内部光污染，这可以看作是光学串扰。分体式窗口有助于减少直流偏置，直接来自 LED 的光线不会渗透到机身中。这样的拆分窗口不容易集成，从成本的角度来看也没有吸引力。最新的系列，如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ，已经有了实质性的改进，即使只有一个完整的窗口，ILP效应也几乎为零。

生物电位测量由两个独立的AD8233模拟前端支持。AD8233（见图3）是ADI公司的第二代单导联ECG前端，具有嵌入式右腿驱动（RLD）功能，设计用于在嘈杂环境中提取、放大和滤波小生物电位信号。该组件的重点应用是可穿戴设备、便携式家庭护理系统和健身器材。AD8233采用直流耦合配置。输入级分为2个增益级。增益有限的第一级之后是二阶高通滤波器和第二增益级。该输入模块的总增益为100 V/V，其中包括减去电极半电池电位导致的失调。AD8233中的第二级与三阶低通滤波器组合在一起。它是二阶Sallen Key在统一中工作，然后是一个额外的低通滤波器。该过滤器的目的是抑制来自肌肉活动的所有与肌电图相关的信号。

图3.AD8233 ECG前端框图

生物电势前端的工作频率取决于用例。对于只需要QRS检测的正常心率监测器，与需要更多信息的ECG监护仪相比，工作频率范围要小得多，例如P波与QRS波与T波的时间和幅度数据。AD8233的目标频带可通过外部电阻和电容进行配置。为了支持灵活性，第二代可穿戴设备将ECG前端连接到嵌入式电极，配置在运动带宽中，支持7 Hz至25 Hz的目标频段。第二个AD8233可与外部电极组合工作，配置为监控0.5 Hz至40 Hz的信号。原则上，几乎可以选择任何带宽。但是，这需要通过更改 R 和 C 设置来修改硬件。

根据所需的精度，AD8233输出可以发送到传感器板上Cortex-M3处理器中嵌入的12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，也可以通过独立的16位AD7689 SAR ADC进行数字化。可以做出权衡，具体取决于精度或电池寿命。®

在设备的背面，你会发现两个电极。这些具有双重功能。除了心电图测量外，这些还可用于皮肤电活动（EDA）。

EDA或皮肤电反应（GSR）与皮肤的电导率有关，皮肤的电导率会因情绪而暂时改变，来自内部或外部刺激 - 例如，由于压力或癫痫，皮肤阻抗变化。第二代设备能够检测到电导率的微小变化。该系统利用交流激励信号，该信号施加在两个干电极上。湿电极也可以使用，而且会更好。然而，该设备仅使用两个嵌入式干式不锈钢电极。使用交流激励信号的主要优点是不会使电极极化。接收信号链代表一个跨阻放大器，后接16位SAR ADC的AD7689。出于性能原因，ADC采样速率远高于激励速率。ADC输出后跟在ADuCM3029处理器上运行的分立式傅里叶变换（DFT）引擎，以表示复阻抗。如上所述的测量原理能够以高信噪比测量皮肤阻抗或皮肤电导，并很好地抑制50 Hz/60 Hz的环境噪声。围绕该测量原理的电路完全由分立元件构成。做出这种设计决策的主要原因是在相当低的功耗下实现灵活性和精度。与此同时，ADI正在开发一款支持上述应用的新芯片。它以最小的功耗提供高水平的精度。ADuCM350也支持类似的测量，尽管该芯片未针对功耗敏感型应用进行优化。

可穿戴设备对于测量重要参数毫无价值，而无需了解人体在做什么。因此，运动检测和剖析非常重要。光学心率监测等一些用例对运动非常敏感，运动会完全破坏测量的准确性。因此，还需要跟踪运动以补偿伪影。运动传感器将有助于跟踪运动，并在需要时，可以在读数的最终结果中补偿运动。ADXL362是目前功耗最低的运动传感器。它具有一个集成 12 位 ADC 的 3 轴 MEMS 传感器，用于检测 X、Y 和 Z 轴上的运动。ADC的输出数据速率（ODR）代表传感器的功耗，在每轴400 Hz的全ODR下为3 μA。图4显示了功耗与输出数据速率的函数关系图。

图4.ADXL362的功耗与输出数据速率的关系。

该传感器也可用作运动激活开关。有可能将采样率降低到仅6 Hz。每 150 毫秒，传感器就会唤醒并测量运动活动。不动，它会直接回到睡眠状态 150 毫秒。目前，在等于或高于预编程阈值水平的g力下检测到运动，并且至少在编程的最短时间内，传感器产生中断或使能电源开关以打开应用程序。在这种模式下，传感器仅消耗300 nA，并且可以使用单个纽扣电池运行数年。总结的所有用例使运动传感器成为可穿戴设备中的必备品。

温度传感是另一个重要参数。这就是为什么第二代可穿戴设备嵌入了两个温度传感器。腕戴式设备使用NTC来测量皮肤温度和设备内部的温度 - 有多种方法可以通过接触身体的传感器测量温度。NTC由分立电路供电和调理，16位ADC最终将信号转换为数字域。ADI公司提供各种精度级别的温度传感器。GEN II温度传感器之所以采用分立式构建，是因为无论如何都可以使用ADC等多种功能，因此设计人员尽可能重复使用多个模块，以减少冗余并节省额外功耗。

ADuCM3029，万物融合

第二代设备使用两个处理器。这并不是绝对需要这样做，而是为了提供更大的灵活性。带有BLE无线电的接口板有一个处理器，传感器板上使用相同的设备，以便能够自主运行。

集成了超低功耗ADuCM3029，用于收集传感器数据并运行算法。图 5 概述了处理器中的集成模块。

图5.集成ADuCM3029模块。

内核是一个26 MHz Cortex-M3，具有丰富的外设集、板载存储器和模拟前端。有 4 种工作模式，在完全运行时，芯片每 MHz 消耗 38 μA。在不需要处理能力的情况下，设备可以在灵活模式下运行。在这种工作模式下，模拟前端运行，外设处于活动状态，测量信号可以通过DMA存储在存储器中。此模式仅消耗300 μA，因此该芯片对于低功耗电池供电系统非常有吸引力。嵌入了多种用于代码保护的安全功能，并嵌入了用于加密功能的硬件加速器。

用例的选择

第二代可穿戴设备可用于多种用途。传感器可以集成到智能手表中，但功能范围，包括准确的心率监测和活动测量/卡路里燃烧，对运动手表也很有帮助。智能手表和运动手表之间的权衡主要在精度与电池寿命之间进行权衡。

该设备可用于测量压力或情绪状态。通常使用测量的组合来获得可靠的读数，例如皮肤阻抗以及心率变异性和温度。

血压监测是另一个有趣的用例。这是一个非常重要的参数，但大多数系统都是基于袖带的，很难集成到可穿戴和连续系统中。有一些技术可以用来测量血压，而无需袖带。一种技术是利用脉冲波传输时间（PTT）。这需要心电图测量与PPG测量相结合。第二代可穿戴设备内部的传感器可以支持这一点。

最后一个关键市场与老年人护理和独立生活有关。对可以帮助护理人员远程监控某些参数的系统的需求巨大。这款可穿戴设备支持所需的 95% 的功能。该系统监控几个重要参数。它可以跟踪人们是否在移动或行走，但也能够检测跌倒。可穿戴设计中缺少的部分是紧急按钮，但这是将处理器上的一个I / O引脚连接到设备顶部的开关的问题。

从原型到产品

第二代设备在小型可穿戴系统中嵌入了许多高性能传感器和功能。除了电子设计外，还考虑了许多机械方面。这使得该平台对专注于半职业体育市场、医疗市场以及涉及智能建筑、独立生活或老年护理系统的设计公司和设备制造商非常有吸引力。所有参数都可以同时测量，但算法需要补充应用程序以支持用例。该设备不是在测试和验证算法之前构建硬件，而是为开发人员和设备制造商提供快速入门。GEN II器件数量有限，ADI非常有兴趣与设计公司和算法提供商合作开发最先进的系统，销售给专业护理人员和健康保险公司。

审核编辑：郭婷