システムボード 6147

MAXREFDES73#:ウェアラブル、ガルバニック皮膚反応システム



MAXREFDES73#リファレンスデザインは、MAX32600ウェルネス測定マイクロコントローラを備えたウェアラブル、モバイルガルバニック皮膚反応(GSR)システムです。このバッテリ駆動のプラットフォームは、最小限の消費電力で高精度ACインピーダンス測定値を取得します。MAX32600マイクロコントローラは、最大24MHzで動作する業界標準ARM® Cortex®-M3 32ビット RISC CPUを備え、複数の高性能アナログペリフェラルを内蔵しています。アナログ機能にはPGAを備えた16ビット ADC、2つの 12ビット DAC、および16チャネルマルチプレクサが含まれ、それとともに256KBのフラッシュメモリ、32KBのSRAM、および2KBの命令キャッシュなどの従来のデジタル機能も内蔵しています。このリファレンスデザインは、多数のフィットネスおよび医療用測定アプリケーション(特にガルバニック皮膚反応測定)の基盤となる、高性能で柔軟な開発プラットフォームを提供します。このリファレンスデザインは腕時計型ユニットで提供され、LIR2032再充電可能コイン電池によって給電されます。Android機器用のモバイルアプリケーションプログラムはインタフェースを提供し、無料でダウンロード可能です。この装置は、Bluetooth® low-energyワイヤレスインタフェースを介してAndroid機器と通信します。テスト結果、ハードウェアファイル、およびファームウェアのソースコードは、設計の完全なドキュメントを提供します。完全な腕時計型ユニットを購入可能です。

特長

  • 高精度
  • AFE内蔵
  • 低消費電力
  • 小型および低コスト

競争優位性

  • シングルチップACインピーダンス測定
  • モバイル機器とのワイヤレス通信
  • ポータブル、小型、および優れたコスト効率

アプリケーション

  • ACインピーダンス測定
  • GSR測定
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MAXREFDES73#リファレンスデザインのブロック図 拡大表示+

はじめに

GSR測定は、さまざまな状況で人間の皮膚インピーダンスを検出します。周囲の環境の変化、突然の出来事によるストレス、身体運動による発汗など、さまざまな事象が人体の皮膚インピーダンスに影響します。GSR装置は、医療、嘘発見器、およびウェルネスモニタリングに使用することができます。MAXREFDES73#リファレンスデザインは、腕時計型のGSR測定装置で、ユーザーの腕の皮膚インピーダンスと体温の両方を監視します。Androidモバイル機器を使用して、ユーザーはBluetooth low-energy (BLE)ワイヤレスインタフェースを介して20m以内の距離で自分の皮膚抵抗および体温を監視することができます。

MAX32600マイクロコントローラは、このGSR装置の中心です。MAX32600は、入力MUXとPGAを備えた1つの16ビットADC、2つの12ビットDACと2つの8ビットDAC、4つのオペレーショナルアンプ(オペアンプ)、4つの未使用SPSTアナログスイッチ、および内部電圧リファレンスを含む、インピーダンス測定に必要な全アナログフロントエンドおよびその他のペリフェラルを内蔵しています。

MAXREFDES73#リファレンスデザイン(図1)は、GSR装置の標準的な使用法を示します。開発者またはユーザーは、最小限のファームウェアまたはハードウェアの変更を介して装置を再構成し、他の特定アプリケーション向けにカスタマイズすることができます。インピーダンスと温度は較正されていないことに注意してください。このデザインは、カスタマイズされたウェアラブル機器を開発するための、柔軟で高性能、低コストのプラットフォームの役割を果たします。

システムダイアグラム


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図1. MAXREFDES79#リファレンスデザインのブロック図

システムの詳細

ACインピーダンス測定 – 動作の理論
ACインピーダンス測定のブロック図を図2に示します。

図2. MAXREFDES73#のACインピーダンス測定のブロック図

テスト対象のサンプル(たとえば、手首の皮膚)は、反転アンプの入力インピーダンスの一部として使用されます。この回路はコヒーレントな正弦波入力で励起されます。ネットワーク応答の振幅と位相を検出するため、回路の応答がデジタルベースバンド直交サンプリングレシーバでコヒーレントに検出されます。既知の較正経路も測定されます。これらの2つの応答から、テスト対象のサンプルの複合インピーダンスを決定することができます。

テスト負荷と較正回路の応答の比から、低電力の観測によって複合インピーダンスを高精度で決定することができます。各経路の応答を決定するため、少なくとも2つのADCサンプルが必要です。

所望の周波数(Fc)でのインピーダンスを測定するため、正弦波電圧がテスト負荷に印加されます。

x(t) = cos(2π × Fc × t)

ADCで観測される出力は、入力をスケーリングし位相シフトしたものです。

y(t) = VL × cos(2π Fc × t + θ)

受信した信号の位相を抽出するには、コヒーレントな検出が必要です。ADCサンプリングをDAC出力と同期可能な場合(AC励起)、デジタルベースバンド直交サンプリングを容易に実装することができます。このソリューションの主な特長は、図3に示すように、ADCサンプルレートが励起周波数の4倍ということです。

図3. MAXREFDES73#のADC直交サンプリング

デジタルベースバンド直交サンプリングは、通常は周波数ドメインで示されます。しかし、ACインピーダンス測定の場合、時間ドメインの方がより適切です。以下の式は、y(t)から実数成分Iおよび複素数成分Qへの処理を示します。

y(t) = VL × cos(2π Fc × t + θ)

TS = 1/(4 × Fc)

y(k) = VL × cos(π/2 × k + θ)

kΣ {0, 1, 2, ... N - 1}

y(k) = VL[cosθ, cos(π/2 + θ), cos(π + θ), cos(3π/2 + θ), ...]

y(k) = VL[cosθ, - sinθ, - cosθ, sinθ, ...]

複合インピーダンスを計算するには、大きさおよび位相の情報を抽出する必要があります。

VLe = VLcos(θ) + jVLsin(θ) = I + JQ

観測によって、最初の2つのADCサンプルからIおよびQが得られます。

I = VLcos(θ) = y(0)

Q = VLsin(θ) = y(1)

ADCサンプルを分割し(偶数/奇数)、±1で変調することによって、実数成分Iと複素数成分Qの複数の観測結果を生成することができます。ここでは単一の周波数を処理するため、次に示すように、これらの出力を平均して測定のSN比(信号対ノイズ比)を高めることができます。

ここで、NはADCサンプルの数で、4の倍数です。

位相 = θ = atan2(Q,I)

大きさ = VL = √(I2 + Q2)

負荷の複合インピーダンス(Z(s))は、目的の周波数で、較正負荷(Ycal(s))およびテスト対象サンプル負荷(Ysys(s))を使って測定されます。応答の比および2つの外付け抵抗RiおよびRcal (図2を参照)に基づいて、テスト周波数で負荷の複合インピーダンスを観測することができます。

(Ri + Z(s))/Rcal = Ycal(s)/Ysys(s)

負荷インピーダンスの大きさと位相は以下のように導くことができます。

Z(s)magnitude = Rcal × (Ycal(s)magnitude/Ysys(s)magnitude) - Ri

Z(s)phase = Ycal(s)phase - Ysys(s)phase

このリファレンスデザインの場合、皮膚インピーダンスの大きさの方に関心があるため、大きさのデータのみが送信されモバイルアプリケーションのグラフィックユーザーインタフェースに表示されます。リファレンスデザインのファームウェアでは、位相データも計算されユーザーが特定アプリケーションで使用することができます。

ハードウェアの説明

MAXREFDES73#リファレンスデザインのシステムブロック図を図1に示します。回路の詳細については回路図も参照してください。

MAX32600ウェルネス測定マイクロコントローラ
MAX32600は、このシステムの中心に位置します。MAX32600マイクロコントローラは、最大24MHzで動作する業界標準のARM Cortex-M3 32ビットRISC CPUをベースとしています。このマイクロコントローラは、256KBのフラッシュメモリ、32KBのSRAM、2KB命令キャッシュ、および高性能アナログペリフェラルを内蔵しています。

MAX32600は、192ピンCTBGAパッケージ(12mm x 12mm)、120ピンCTBGAパッケージ(7mm x 7mm)、および108ピンWLPパッケージで提供されます。このデザインでは、7mm x 7mm CTBGAパッケージを使用しています。

MAX32600の高集積AFEは、最小限の個別部品で高精度ウェルネス測定を実現します。このマイクロコントローラは以下の集積アナログ機能を内蔵し、ほとんどのウェルネス測定機器の必要を満たします。

  • 入力MUXおよびPGAを備えた16ビットADC
    • 変換レート:最大500ksps
    • 1、2、4、および8の利得とバイパスモードを備えたPGA
    • 差動8:1またはシングルエンド16:1の入力MUX
    • 内蔵MUX入力によってVDDA3を測定
  • 内部または外部電圧リファレンス
    • 設定可能なADCおよびDACのバッファ
  • 2つの12ビットDACと2つの8ビットDAC
  • 4つのオペアンプ
  • 4つの低電力コンパレータ
  • 4つの未使用のSPSTアナログスイッチ
  • 4つのグランドスイッチ
  • 最大8組の100mA LEDドライバ(シンク)
  • 温度センサー内蔵

このGSRユニットデザインは、数個のセラミックコンデンサと抵抗のみが必要で、小型でコスト効率のよい設計になっています。

電源およびMAX8814リニアリチウムイオンバッテリチャージャ
MAXREFDES73#は、リチウムイオン再充電可能バッテリLIR2032によって給電されます。バッテリの公称電圧は3.6Vで、最大容量は45mAHです。バッテリは超低IQ、低ドロップアウトリニアレギュレータのMAX8880によってレギュレートされます。

バッテリは、PCへのUSB接続によって簡便に充電可能です。充電コントローラのMAX8814は、自律的なスタンドアロンの定電流/定電圧(CCCV)、温度安定化リニアチャージャで、シングルセルリチウムイオン(Li+)バッテリの充電用に設計されています。MAX8814は電流検出回路、MOSFETパス素子、温度安定化回路を内蔵し、逆流防止ショットキーダイオードが不要なため、ハンドヘルド機器向けの最も簡素で小型の充電ソリューションを作ることができます。

MAX8814は、予備充電状態から定電流急速充電および最終的な定電圧充電にわたって充電シーケンスを制御します。独自の温度安定化回路によって、急速充電時やICが高い周囲温度にさらされる場合にダイ温度が制限され、ICを損傷させずに最大充電電流が可能です。

MAX8814は、外付け抵抗を介して調整可能な急速充電電流を提供することによって、高い柔軟性を実現します。急速充電電流は32mAに設定されています。完全に放電されたバッテリの場合、GSR装置は2時間以内でフル充電可能です。

フル充電されたバッテリは、デフォルトのファームウェア設定で約15時間持続します。デフォルトの設定では、装置は皮膚インピーダンスおよび温度を1秒に1回測定し、BLEワイヤレスインタフェースを介してモバイル機器にデータを送信します。

機器の充電時、黄色いLED D3が点灯し、モバイルアプリケーションの充電インジケーションアイコンもオンになります。

ACインピーダンス測定回路および設定
ACインピーダンス測定のブロック図を図2に示します。

回路図を参照すると、12ビットDAC0はピークトゥピークの大きさ1Vの励起正弦波信号を生成します。マイクロコントローラのDMAエンジンによって、直接デジタル合成が可能です。DAC0の出力信号はオペアンプDによってバッファされます。R17、R18、C25、C26、およびオペアンプAは、2次ローパスフィルタ(LPF)を構成します。C27は励起信号のDC成分を阻止します。4つの内蔵SPSTスイッチは、負荷を較正経路または人間の皮膚の負荷のいずれかに動的に再構成します。8ビットのDAC2は、ADC入力の前のコモンモードバイアスを生成します。C29とR25は、1次LPFおよび利得制御を構成します。最後に、R41、R42、およびC47はADC入力の前のLPFとして機能します。

MAXREFDES73#は、デフォルトの励起周波数を7.8125kHzに設定します。この単一固定周波数測定のハードウェア設定は、以下のとおりです。

  • ADCとDACの両方の電圧リファレンス = 2.048V
  • DAC0のパワーレベル = 2、正弦波の出力周波数 = 7.8125kHz、電圧 = 1V (ピークトゥピーク)
  • DAC2のDC出力電圧 = 1.12V
  • ADCサンプルレート = 31.25kHz、デシメーション = 4、PGAの利得 = 2
  • クロック源:24MHz内蔵弛張型発振器

MAXREFDES73#は、ユーザーの参考用に周波数スイープ機能も提供します。装置は100Hz~15.625kHzの励起周波数を使用して皮膚インピーダンスを測定します。測定完了後、装置はデータをひとまとめにしてモバイル機器に送信します。

周波数スイープのハードウェア設定は、以下のDAC0の正弦波出力周波数とADCサンプルレートの組合せが異なる以外、上記の設定と同じです。

  • DAC0出力周波数 = 100Hzのとき、ADCサンプルレート = 400Hz
  • DAC0出力周波数 = 200Hzのとき、ADCサンプルレート = 800Hz
  • DAC0出力周波数 = 500Hzのとき、ADCサンプルレート = 2000Hz
  • DAC0出力周波数 = 1kHzのとき、ADCサンプルレート = 4kHz
  • DAC0出力周波数 = 1.953125kHzのとき、ADCサンプルレート = 7.8125kHz
  • DAC0出力周波数 = 5kHzのとき、ADCサンプルレート = 20kHz
  • DAC0出力周波数 = 7.8125kHzのとき、ADCサンプルレート = 31.25kHz
  • DAC0出力周波数 = 12.5kHzのとき、ADCサンプルレート = 50kHz
  • DAC0出力周波数 = 15.625kHzのとき、ADCサンプルレート = 62.5kHz

個々の測定で、184のADCサンプルが収集され(46の正弦波サイクル)、160サンプルが平均計算に使用され(40の正弦波サイクル)、最初の6サイクルは破棄されます。

温度測定
MAX32600マイクロコントローラは、ADCを使って読取り可能な温度センサーを内蔵し、さらに同じADC入力ペアに接続される外部温度センサー用のモードをサポートします。GSR装置はユーザーの皮膚に直接接触可能な温度センサーを必要とするため、外付けの負の温度係数(NTC)センサーが使用されます。

MAXREFDES73#は、NTC温度センサーをMAX32600のAN1+端子に接続します。MAX32600のAN1+端子に供給される電流は、4µA、60µA、64µA、および120µAにそれぞれ設定可能です。GSR装置は公称抵抗が37℃で30.15kΩのNTC温度センサーを使用します。センサーのSteinhart-Hartパラメータは、次のとおりです。

a = 824.970719、b = 222.454876、c = 0.095600

したがって、AN1+に供給される電流は4µAに設定されます(AinCurrentSel = 00)。

ADCのPGAを2に設定すると、ADCコードがCODEの場合、センサーの電圧降下は次式で与えられます。

VNTC = CODE × 2.048/(65535 × 2)(V)

NTCセンサーの抵抗は次式で与えられます。

RNTC = VNTC/I = CODE × 2.048/(65535 × 2 × 0.000004)(Ω)

Steinhart-Hart式の3次近似に基づいて、温度は次式で与えられます。

T = 1/(a + b × ln(RNTC) + c × (ln(RNTC))3 (Kelvin)

Bluetooth Low-Energyコントローラ
MAXREFDES73#リファレンスデザインは、Androidモバイル機器で動作する無料のコンパニオンモバイルアプリを提供します。GSR装置はBLEワイヤレス接続を介してAndroid機器と通信します。BLEコントローラはEM Microelectronic製のEM9301です。MAX32600マイクロコントローラは、SPIインタフェースを介してBLEチップを制御します。MAX32600の内蔵LDOの出力VDDIOは、BLEチップに給電します。詳細については、EM9301のデータシートを参照してください。

ファームウェアの説明

MAXREFDES73#のファームウェアは、割込み駆動設計モデルに基づいています。起動後、マイクロコントローラは、電源ドメイン、クロックドメイン、DAC設定、ADC設定、その他のアナログペリフェラル、GPIO端子、SPIコントローラ、およびBLEコントローラのハードウェアおよびソフトウェアスタックを設定します。次に、装置はBLEアドバタイズメントパケットの送信を続けて接続のセットアップを待ちます。30秒以内にBLE接続を確立することができなかった場合、装置はリセットボタンが押されるまでスリープモードに移行します。緑のLED D2は、アドバタイズメントが行われていることを示します。

接続の確立後、装置は1秒に1回のインピーダンスおよび温度測定を開始し、計算したデータをホストに送信します。赤いLED D1は、測定が行われていることを示します。1秒の周期中、測定および送信の時間は約30msで、エネルギーを節約するためマイクロコントローラは1秒の残りの間はLP2モードになります。

ユーザーがモバイルアプリから周波数スイープを要求した場合、装置はスイープモードに切り替わり、さまざまな励起周波数で負荷インピーダンスを測定し、結果をホストに送信して、最後に継続的、単一励起周波数測定モードに戻ります。

ファームウェアは、ARM Cortex Toolchain for Maxim Integrated Medical Microcontrollersパッケージを使用して開発されています。

図4は、MAXREFDES73#のファームウェアのメイン機能のフローチャートを示します。

図4. MAXREFDES73#のファームウェアのメイン機能のフローチャート

図5は、インピーダンスおよび温度測定の割込みサービスルーチン(ISR)のフローチャートを示します。

図5. MAXREFDES73#のファームウェアの割込みサービスルーチンのフローチャート

クイックスタート

必要機器:

マキシムから購入するもの:

  • MAXREFDES73#リファレンスデザイン(腕時計型GSR装置)

ユーザーが用意するもの:

  • Androidタブレットまたはスマートフォン

以下の手順に従って、MAXREFDES73#が適切に機能していることを確認してください。

手順

  1. Google Playストアから、MAXREFDES73#モバイルアプリの最新バージョンをダウンロードします。Google Playの検索ボックスに、MAXREFDES73と入力してください。このアプリにはAndroid 4.3以降が必要です。
  2. MAXREFDES73#モバイルアプリを起動します。
  3. MAXREFDES73#装置を手首に装着します。電極が手首の皮膚にしっかり接触していることを確認してください。あるいは、10kΩの抵抗を使用して電極を接続してください。
  4. 装置のプッシュボタンを押すと、緑のLEDが点灯します。
  5. モバイルアプリで、BLEアドバタイズメントが検出されたとき、見つかった装置をタップします。
  6. モバイルアプリが、温度およびインピーダンスの大きさを表示します。1秒に1回更新されます。
  7. 装置の赤いLEDが1秒に1回短く点灯することを確認してください。
  8. モバイルアプリのFrequency Sweepアイコンをタップします。約5秒後、ボーデ図のグラフが更新され、装置からの最新データが表示されます。スクリーンショットを図6に示します。

図6. MAXREFDES73#モバイルアプリのスクリーンショット

実験室での測定結果

MAXREFDES73#デザインは、標準的なアプリケーションケースで検証およびテストされています。このプラットフォームは、MAX32600ウェルネスマイクロコントローラを使用してACインピーダンスおよび温度測定装置を開発するすべての開発者を対象としています。このリファレンスデザインは柔軟性が高く、特定アプリケーション開発用にカスタマイズすることができます。

図7は、較正なしの10kΩの抵抗の測定結果を示します。

図7. MAXREFDES73#の10kΩの抵抗の測定結果

図8は、人間の手首の温度の測定結果を示します。

図8. MAXREFDES73#の手首の温度の測定結果

AndroidはGoogle Inc.の登録商標です。
ARMはARM Limitedの登録商標および登録サービスマーク、CortexはARM Limitedの登録商標です。
Bluetoothワードマークおよびロゴは、Bluetooth SIG, Inc.が所有する登録商標であり、マキシムはこれら商標をライセンスに基づいて使用しています。

クイックスタート

必要機器:

マキシムから購入するもの:

  • MAXREFDES73#リファレンスデザイン(腕時計型GSR装置)

ユーザーが用意するもの:

  • Android 4.3以降を搭載したAndroidタブレットまたはスマートフォン

以下の手順に従って、MAXREFDES73#が適切に機能していることを確認してください。

手順

全設計ファイル

全設計ファイルをダウンロード

ハードウェアファイル:
回路図
部品表(BOM)
PCBレイアウト
PCBガーバー
PCB CAD (PADS 9.0)

ファームウェアファイル:
MAX32600プラットフォーム

ソフトウェアファイル:
Google Playストアからダウンロード ›

リソース

MAX32600
ウェルネス測定マイクロコントローラ

  • 高集積AFEによって最小限のディスクリート部品で高精度のウェルネス測定を実現
  • 堅牢な内蔵信頼保護ユニットによって貴重なIPとデータのセキュリティを確保
  • 業界最小の総合システム電力によってバッテリ寿命を延長

MAX8814
スマート自動起動補助付き、28VリニアLi+バッテリチャージャ

  • 外付け部品数と総コストを削減
  • 安全で高精度なバッテリ充電を保証
  • 高集積システム機能によってコンパクト設計を実現

MAX8880
POK付き、12V、超低IQ、低ドロップアウトリニアレギュレータ

  • 消費電流:3.5µA (12V)
  • バッテリ逆挿入保護
  • 入力電圧範囲:2.5V~12V