可穿戴监护平台

概述

半导体技术的进步催生超低功耗电池供电的嵌入式系统设计,这些系统的重量如此轻便、体积如此之小,允许人们穿戴在身上。这些系统通常具备功能强大的低功耗微控制器,连接一组精密传感器,通过低功耗射频链路与外部系统通信。

功能强大的超低功耗控制器、低功耗体征测量模拟传感器、创新的电源和电池供电方案相结合,推动着可穿戴监护产品的市场发展。

体征信号监测技术的发展已有多年历史,为医生提供有用的健康诊断信息。相同的监护设备也被用于高端运动项目,帮助提高成绩。现在,可穿戴体征信号监测产品能够为消费者提供同样的信息,并且价位低得多,既适用于医疗市场,又适合运动评估优化。

对于健康状况检测和监护,可穿戴产品几乎能够获取传统临床环境下监测的所有信号。传统信号包括:

  • 脉搏/心率
  • 血氧
  • 应力
  • 心电图(EKG/ECG)
  • 体温
  • 紫外线强度(皮肤照射)

关于设计可穿戴健康产品的相关信息,请点击“设计注意事项”标签;关于有代表性的Maxim IC列表,请点击“电路图”标签;查看典型可穿戴产品的方框图,请点击“框图”标签。


该市场受高性能、高精度IC的推进得以迅速发展。这些IC经过功率优化,能够利用体积小、重量轻的可充电锂离子电池或可更换/不可充电的纽扣电池支持体征信号监测。

尽管多数产品的主要功能是通过固件算法实现的,但物理设计提供了支撑这些功能的平台。平台开发完成后,即可重复用于各种不同的产品。

电源和电池管理


电源是可穿戴健康平台非常重要的组成部分。这类产品必须体积小,并且是非介入式,这就要求电池非常轻巧。电池可提供的电量和平台的总功耗决定了产品实用性。一般而言,任何可穿戴产品都需要在至少一天的时间内正常工作,无需充电。对于采用非可充电电池的产品,其电池寿命应长达数月。

对于采用可充电电池的设备,电池管理系统必须包括电池充电器和电池电量计。电池管理系统必须允许设备在充电时可正常工作。

电源系统必须能够稳定电池的输出电压——电池电压会逐渐下降。稳压器效率必须非常高,可最大程度利用电池电量,也必须提供设计要求的输出电压。可充电Li+电池的电压范围为4.2V至3.2V左右。多数可穿戴产品使用的主电源低于单节Li+电池的最低电压,所以可穿戴设计中的主电源来于降压型稳压器。另外,可穿戴产品有些功能要求的供电电压可能高于单节电池电压。为提供这些电压,电源管理器必须包含至少一路升压转换器。所要求的供电电压通道数取决于设备功能,为了获得最高效率,最好将所需电压通道数降至最少。

产品选择

MAX14676可穿戴充电管理IC包括多路电压调节器、一路电池充电器、电源选择器和电量计。器件采用Maxim的ModelGauge™电量计算法和Smart Power Selector™智能电源选择技术。单片IC完成电池管理的所有功能,适合单节Li+电池供电设备。

单片IC提供1.8V、3.2V输出(LDO)、6.6V输出(电荷泵)和12V输出(升压开关稳压器)输出。

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处理器


功耗和处理能力是选择此类应用微控制器的关键因素。应采用系统划分策略确定哪些系统功能最好集成至微控制器,哪些功能可通过外部方式处理。由于可穿戴设备读取体征信号,所以必须综合考虑片上模拟电路,以确保高精度处理小信号体征信号。

对于微控制器,有两种通用的低功耗策略:

  1. 包含全部或几乎全部高精度模拟电路微控制器
  2. 不具备高精度模拟功能的低成本微控制器

如果选择较低成本的微控制器,就必须在外部信号处理链路进行高精度信号转换,以数字形式将传感器信号输入微控制器。我们可提供体积极小的高精度、低功耗模拟电路支持该选项。

最近市场上已经出现许多低功耗微控制器。可穿戴应用领域使用最广泛的是ARM®架构,针对低功耗进行了优化。根据设备处理要求,处理器可以为16位或32位。处理器将采用多种功耗模式,系统软件具有可编程关断和基于传感器的唤醒功能。

产品选择

对于可穿戴应用,Maxim提供基于ARM的低功耗微控制器,具有高度集成的高精度模拟电路。MAX32600包含低功耗ARM Cortex® M3微控制器,并集成了其它众多功能;16位ADC,集成保护单元:具有板载公钥安全认证、数据加密、以及篡改检测,提供最高安全等级。

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传感器及传感器接口


有许多传感器用于可穿戴设备中的体征信号监测。用于获取体征信号的传感器已经使用多年,但最近才出现了既能够提供良好信号又不会消耗过多功率的传感器。

传感器技术可用于测量以下信息:

  • 血氧
  • 心率
  • ECG/EKG
  • 应力
  • 体温

这些传感器的电信号输出非常小,为毫伏范围。许多主流传感器已经在单片封装中集成了放大和转换电路,所以输出要么为较强的模拟信号,要么为串行数字信号。这些传感器接口电路都针对极低功耗进行优化。

对于心电传感器,与皮肤存在物理接触,捕获皮肤周围的极弱电场,并将信号传输至EKG信号链。低成本可穿戴心电图限制到2-3个触点,不能提供高成本专业ECG/EKG系统具备的分辨率;后者采用9-11个传感器,分布于全身,安装在重点位置。

产品选择

Maxim的MAX30100为集成脉搏血氧仪传感器方案,集成两个LED、一个光电检测器、优化的光学元件以及低噪声模拟信号处理,以检测脉搏血氧信号,也提供心率信号。

体温传感器通常为电阻温度检测器(RTD),需要模拟信号链路进行激励和放大。信号链可以是外部模拟信号链;如果微控制器包含高精度模拟电路,例如MAX32600医疗微控制器,也可直接连接到微控制器。

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通信


现代化可穿戴设备一般均提供微型USB口,用于大数据量传输、固件更新以及电池充电。此外,许多可穿戴产品采用低功耗无线收发器,在设备使用过程中实时发送和接收数据。无线传输方式允许将数据传输至大显示屏或远端数据收集设施。低功耗蓝牙是用于该用途的新兴标准。此外,NFC(近场通信)提供有限距离范围的无线连通性,可理想用于短距离传输,例如读取配置信息和记录数据。

产品选择

Maxim的MAX66242安全RFID标签可对用户进行安全认证,仅接受合法来源的NFC通信。

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用户界面


所需功能不同,可穿戴设备的用户界面也随之不同。低功耗设计非常重要,以便显示屏尺寸可以降至最小。根据产品的不同,UI可能包括单行LCD显示屏,带有少数几个控制按钮。需要显示较多信息的产品将使用低功耗TFT显示屏,很可能采用触摸屏。

由于处理能力成本很低、功能强大,许多可穿戴设备最终可能具备语音命令功能。

产品选择

Maxim的超低功耗MAX98091音频编解码器具有麦克风输入以及高音质输出。

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关于更多设计信息,请参考右侧所列应用笔记、电路图标签中列出的电路,以及框图标签中列出的方框图。



Pulse OX Sensor Inertial Measurement Sensor Op Amp VREF RTC Reset System Temperature Highly Integrated µC ESD Protection Power Battery PMIC Audio Codec NFC ADC

Monitoring Watch


Wellness Measurement Microcontroller Reset Power Management NFC Port Inertial Measurement Sensor Pulse Oximeter and Heart Rate Sensor (Watch Back) Pulse Oximeter and Heart Rate Sensor (Watch Face)

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Fit Shirt


Power Management Inertial Measurement Sensor Pulse Oximeter and Heart Rate Sensor Wellness Measurement Microcontroller ESD Protection

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Wearable Temperature Sensor


Temperature Sensor Secure NFC Tag

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