自從十年前第一臺計步器出現(xiàn)在市場以來,，情況已有很大的改變,。最初,，其測量只著重于步伐數(shù)量的計算,。經(jīng)過十年來的研究結(jié)論是,，大約每天行走1萬步即可每日達到卡路里攝入量與卡路里燃燒量之間的良好平衡。同時,，更多的功能和特點陸續(xù)續(xù)地被加入可穿戴設(shè)備中,，如測量心率、心率變異性,、體溫和皮膚電導(dǎo)值等,。

可穿戴設(shè)備最初原本是針對運動和健身的目的而出現(xiàn)，而今已逐漸轉(zhuǎn)移至更偏向醫(yī)療的領(lǐng)域,。隨著這一趨勢轉(zhuǎn)變,，我們將更加依賴于測量的準(zhǔn)確度和電池的壽命。設(shè)備在每一次電池充電后所能持續(xù)運行的時間越長,，就越容易得到消費者的接受,。

本文將介紹專為穿戴式保健設(shè)備推出的新一代組件，并提供一些如何讓產(chǎn)品系統(tǒng)更可靠和省電的設(shè)計技巧與提示,。

心率測量PPG

當(dāng)談到有關(guān)于健康的話題時,，無庸置疑地，身體最重要的器官之一就是心臟,。它可以被視為人類系統(tǒng)的引擎,，如果沒有狀況良好的心臟，我們就可能會面對嚴(yán)重的健康問題,。因此,，監(jiān)測心臟功能是關(guān)鍵的優(yōu)先要務(wù)。

有很多原因讓我們必須檢查心率以確保高于每分鐘的心跳,。此外,，以活動作用頻率的觀點而言，從心臟的行為中可以得到大量的額外信息,。當(dāng)身體需要較多的活動時,，心率就會上升以便為細胞帶來更多的營養(yǎng)和血氧含量。但連續(xù)性的高心率并不是好事,，而快速的心率變化也同樣不好,，因為它可能是心臟疾病的指標(biāo)，如心房顫動(atrial fibrillation) ,。

除了監(jiān)測心跳的頻率,，還有另一項稱為心率變異(HRV)的重要參數(shù)。當(dāng)我們處于放松狀態(tài)時,，心臟并不會每分鐘都以固定的節(jié)拍跳動,，而應(yīng)該可以觀察到心率的微幅變化，其變動范圍大約在每分鐘±3次,。這種變化是放松的一項指標(biāo),。而當(dāng)我們感到壓力或產(chǎn)生驚訝的反應(yīng)時，體內(nèi)的腎上腺素上升，心臟開始以單一的頻率跳動,。因此,，HRV參數(shù)是一項重要的監(jiān)測指標(biāo)。

取得心臟信號最常見的方法是透過生物電位測量與心電圖(ECG),；然而,，要將此技術(shù)整合在可穿戴設(shè)備中并不容易。

除了生物電位,，測量心率的一種新趨勢是利用光學(xué)原理,。這種技術(shù)已經(jīng)存在一段時間了，通常被稱為光體積變化描記圖技術(shù)(Photoplethysmography,；PPG),。PPG技術(shù)主要用于測量血氧濃度(SPO2)的系統(tǒng)中。在量測SPO2時,，通常經(jīng)由人體特定部位(通常是手指或耳垂)發(fā)送出兩種波長的光線,，藉此測量到氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin)量相對于血紅蛋白(hemoglobin)總量的百分比值。由于這種技術(shù)還可以測量心率,，因此通常被用在穿戴式系統(tǒng)中,，例如小型的腕戴式設(shè)備。而且,，不同于生物電位測量的是,，這類技術(shù)可以只使用單一測試點來測量心率。例如ADI推出的ADPD174組件,，就是一款專為這類應(yīng)用而設(shè)計的光學(xué)子系統(tǒng)(圖1),。

圖1：在單一6.5mm×2.8mm封裝中的光學(xué)子系統(tǒng)——ADPD174，瞄準(zhǔn)可穿戴醫(yī)療設(shè)備而設(shè)計

反射與傳輸

大多數(shù)人都很熟悉SPO2的測量,，其方式通常是藉由夾在耳垂或手指夾上的設(shè)備來進行。光線會穿透過身體的一部份,，而在另一端則透過光電二極管測量接收到的信號,。利用此傳送技術(shù)，我們可測量到可被接收或無法被吸收的光量,。就信號性能與傳送功耗量而言,，這種原理是最好的。然而,，對于講求舒適性的可穿戴系統(tǒng)而言,，傳輸測量的整合并非容易的事。因此,，反射式量測相對上較普遍受到采用,。在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，光線被發(fā)送到組織的表面，其中一部份被紅血細胞所吸收,，剩余的光則被反射回組織表面,，并由一個光傳感器加以測量。在反射式系統(tǒng)中,，接收信號相對較微弱達60dB,，因此我們必須從電氣和光學(xué)的角度，更小心仔細地觀察發(fā)射和接收信號鏈,。

電子和機械挑戰(zhàn)

在一次心跳期間,，血液的流動與血量持續(xù)發(fā)生變化，因而造成接收到的反射光量發(fā)生散射現(xiàn)象,。用于測量PPG信號的光線,，其波長會受到一些因素影響而有所改變——其中第一個因素就是測量的類型。在本文中,，我們將僅局限于心率及其相關(guān)變化的測量,。對于這類型的測量，所需采用的波長不只取決于所要量測的身體位置,，同時也須考慮到相對灌注位準(zhǔn)(relative perfusion level),、組織的溫度以及組織的色調(diào)等。

一般來說,，對于腕戴設(shè)備而言,，由于動脈并不是位于手腕的上方，因此必需從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管來拾取脈動組成,。在這類應(yīng)用中,，綠光能提供最好的接收。在我們身體上有足夠血液流動的地方,，如上臂,、太陽穴或耳道等，紅光或紅外線效果較佳,，因為它能深層穿透組織——尤其是對于電池功率和尺寸始終是一個重要課題的可穿戴應(yīng)用來說,，紅光或IT LED可帶來更多的優(yōu)點，因為這些光源組件需要的順向偏壓較低,，而在使用鈕扣型電池的應(yīng)用中,，這些LED可以直接由電池電壓來驅(qū)動。

圖2：各種LED所需的順向偏壓vs.LED電流

遺憾的是,，綠光LED由于需要較高的順向偏壓,，因而必須采用額外的升壓轉(zhuǎn)換器，但這對于系統(tǒng)的整體耗電流也帶來負(fù)面的影響,。圖2顯示不同色彩的LED相對于電流所需的順向電壓,。如果終究還是需要使用綠光LED,，ADP2503降壓/升壓轉(zhuǎn)換器能在最低至2.3V的輸入電壓時，支持較高的LED順向電壓達5.5V(max),。

當(dāng)我們權(quán)衡傳感器位置與LED顏色等條件后,，下一步就是要選擇最適合的光學(xué)解決方案。以模擬前端來說,，包括分離式建構(gòu)或完全整合的多種選擇,，而光傳感器與LED也同樣有多種產(chǎn)品備選。為了將設(shè)計上的負(fù)擔(dān)降到最低,，并縮短開發(fā)上市時間,，ADI提供一款完全整合的光學(xué)子系統(tǒng)模塊，可供反射式光學(xué)量測使用,。這款產(chǎn)品編號為ADPD174的模塊,，內(nèi)含光學(xué)測量所需的所有功能。圖3顯示此子系統(tǒng)模塊的功能方塊圖,，此模塊的尺寸大小僅6.5mm x2.8mm,，因此對于穿戴式系統(tǒng)而言非常具有吸引力。

此模塊是由一個大型光電二極管,、兩個綠色LED以及一個IR LED所組成,。內(nèi)建的混合信號ASIC中包含一組模擬信號處理功能模塊、SAR類型ADC,、數(shù)字信號處理功能模塊,、I2C通訊接口以及三個可自由編程設(shè)定的LED電流源。

此系統(tǒng)驅(qū)動LED發(fā)光,，并使用1.2 mm2的光電二極管測量相對應(yīng)的光回波信號,。為可穿戴設(shè)備測量其PPG時，最大的挑戰(zhàn)在于克服像環(huán)境光和運動產(chǎn)生的人為因素等干擾,。環(huán)境光可能大幅影響測量的結(jié)果,；而抑制陽光并不難，但來自日光燈和省電燈泡中包含交流(AC)成份的特殊光線,，則很難加以取消,。

ADPD174光模塊具有兩級的環(huán)境光抑制功能，也就是在光傳感器和輸入放大器階段之后,，整合帶通濾波器及其隨后的同步解調(diào)器,，從而為環(huán)境光以及從直流(DC)到100 kHz的干擾提供同類產(chǎn)品中最佳的抑制表現(xiàn),。該ADC具有14位的分辨率和高達255個脈沖值,，將其相加后可獲得20位的測量結(jié)果。此外,，還可藉由累加多個取樣,，以實現(xiàn)高達27位的額外分辨率,。ADPD174作業(yè)于兩個獨立的時隙之間——例如，測量兩個獨立的波長,，并順序執(zhí)行結(jié)果,。在每個時隙期間，執(zhí)行完整的信號路徑,，從LED刺激開始,，接著是光信號擷取與數(shù)據(jù)處理。

圖3：ADPD174光學(xué)子系統(tǒng)的功能方塊圖

每個電流源能以高達250mA的電流驅(qū)動互連的LED,，其創(chuàng)新的LED脈沖控制,，則可維持較低的平均功耗，并顯著地節(jié)省系統(tǒng)的功耗和延長電池壽命,。

這種LED驅(qū)動電路的優(yōu)點在于它是動態(tài)且可實時擴展,。有許多因素可能影響接收光信號的信號噪聲比(SNR)，例如膚色或傳感器與皮膚之間的毛發(fā),，都可能影響接收端的靈敏度,。因此，LED的激發(fā)可以非常容易地配置,，以實現(xiàn)自適應(yīng)系統(tǒng),。所有的時序(timing)和同步都可由模擬前端進行處理，而無需占用系統(tǒng)中微處理器的處理資源,。在正常情況下,，采用ADPD174能以約1mW級功耗執(zhí)行可靠的心率監(jiān)測。為了找出此工作點,，首先可以調(diào)整轉(zhuǎn)阻放大器(TIA)的增益,，同時設(shè)置最大LED峰值電流。在優(yōu)化LED電流和TIA增益后,，就可以增加LED脈沖的數(shù)量以獲得更多的信號,。值得注意的是，增加LED峰值電流,，將會等比例地提高SNR,；而將脈沖數(shù)量增加n倍，則僅有提高根號n (√n)倍SNR的效果,。

要為心率設(shè)備找出最佳設(shè)定,，很大程度上也取決于使用者本身。用戶的膚色會對信號的強度以及設(shè)備的定位,、溫度和血流量產(chǎn)生影響,。為了計算功耗，可將光學(xué)前端視為兩個單獨的功耗源,，分別是IADPD和ILED,。IADPD是輸入放大器級,、ADC和數(shù)字狀態(tài)機的消耗電流。這些功耗數(shù)值非常依賴于ADC的取樣率,。LED電流ILED會隨著使用者的膚色和傳感器在身體上的位置而改變,。對于較暗的膚色，以及傳感器所在位置的血流量非常少時,，就會需要較多的LED電流,。LED平均電流會隨著LED驅(qū)動脈沖寬度、脈沖數(shù)和ADC取樣時間而變化,。平均LED電流等于LED最大電流乘上脈沖寬度和脈沖數(shù)的結(jié)果,。這可被視為一個時隙，而且在每次新取樣時重復(fù),。脈沖寬度可能窄至1μs,。

為了在手腕上有效進行心率測量，當(dāng)使用兩個具有1μs寬度的脈沖時,，需要大約125mA的LED峰值電流,。對于100 Hz的取樣頻率而言，平均LED驅(qū)動需要25μA,。當(dāng)我們增加250μA的平均AFE電流時,，光學(xué)前端的功耗為275μA（@ 3V =825μW）。

其他機械上的挑戰(zhàn)

前面我們已討論了在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時,，挑戰(zhàn)之一在于環(huán)境光干擾,。但在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，需要克服的另一個大挑戰(zhàn)是內(nèi)部光污染(IPL),。在一款完美設(shè)計的系統(tǒng)中,，來自LED的所有光都會被發(fā)送到組織中，而且只有反射光可被光傳感器偵測到并加以測量,。然而在現(xiàn)實生活中,，LED光線會被外殼的透明窗反射，并直接被送回光傳感器,，而不至于穿透至組織中,，即圖4中以綠色標(biāo)示的光路。

圖4：內(nèi)部光污染的說明

這種ILP效應(yīng)會造成DC偏置,，并將限制信號中的AC組成,，也就是所謂的調(diào)變指數(shù)(MI)。但事實上,，這一MI才是我們唯一感興趣的信號,。此ILP效應(yīng)可以藉由隔離透明窗的方式加以解決，然而這在量產(chǎn)中是非常困難且成本高昂的,。ADPD174是克服這一問題的解決方案之一,。它具有特殊設(shè)計的外殼以減低ILP效應(yīng)，而不需要在外殼上隔離透明窗,。如圖5所示,，ADPD174較其前代產(chǎn)品受ILP效應(yīng)影響程度的改善，可作為LED電流的基準(zhǔn),。這是此組件較市場上其他分離式或整合式組件的另一個好處,。

圖5：ADPD174與其前代產(chǎn)品受ILP影響的程度比較

系統(tǒng)總功耗

在光學(xué)系統(tǒng)中，除了光干擾因素之外,，也必須消除運動的干擾,。運動對于穿戴系統(tǒng)的整體性能具有影響，因為在運動時,，機械連接或與組織的接觸狀態(tài)可能會改變,，從而在光學(xué)讀值上造成誤差。因此,，測量設(shè)備的運動并針對其干擾進行補償至關(guān)重要,。ADI的超低功耗三軸ADxL362 MEM傳感器可完全支持這一需求。該傳感器測量所有的三個軸,，并擁有一個內(nèi)建的12位SAR ADC,，從而使其LSB的大小為1mg，并且能夠透過數(shù)字SPI接口進行通訊,。其功耗隨ADC取樣率而變化,，當(dāng)每軸的數(shù)據(jù)輸出率為100 Hz時，傳感器僅消耗1.8μA,。此組件采用3 mm×3 mm封裝,，不過，目前正在開發(fā)中的新一代產(chǎn)品,，其PCB占位面積將只有ADxL362的四分之一,。

尚未談到的系統(tǒng)核心！

截至目前為止,，我們已經(jīng)討論打造監(jiān)測心率和心率變化的穿戴式保健設(shè)備時,，需要各種不同的傳感器。但我們尚未觸及到系統(tǒng)的核心,，也就是將所有的傳感器連接在一起,、執(zhí)行所需的算法軟件，以及儲存,、可視化或傳送這些測量結(jié)果,。ADI最近發(fā)布的ADuCM3027 / ADuCM3029Cortex-M3處理器，就能夠支持這些需求,。它是一款超低功耗,、混合信號型的微控制器,，每MHz處理能力的相對功耗小于38μA。該處理器的最高頻率頻率為26MHz,，并具有四種不同的功耗模式(表1),。

表1：ADuCM3027/29的功耗模式

該混合信號前端包括一個12位的SAR ADC、參考緩沖器和溫度傳感器,。該組件內(nèi)建128 kB或256 kB的閃存,、4 kB高速緩存和64 kB SRAM，并有妥善的措施保護設(shè)備的內(nèi)容不會被未經(jīng)授權(quán)的用戶透過外部接口讀取,。對于保護其程序代碼和算法的設(shè)備制造商來說,，這可說是一項重要的價值。最后,，ADuCM302x可作業(yè)于1.8V到3.6V之間的單電壓范圍,，其中的核心電壓為1.2V，可經(jīng)由內(nèi)建的LDO或其更高效能的開關(guān)電容式降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生,。

為了將測量結(jié)果無線上傳到主處理器,，必須耗費大量的總系統(tǒng)功耗。因此,，對于測量結(jié)果進行預(yù)處理,，將有助于減少所需傳送的數(shù)據(jù)量，進而節(jié)省更多功耗,。

讓保健設(shè)備具有自學(xué)能力

從前面的討論可看出,，ADI專注于開發(fā)傳感器和混合信號解決方案，并特別著重于提高性能和降低功耗,。這些芯片和子系統(tǒng)能夠打造針對保健,、運動以及健身市場的設(shè)備，使其得以只靠單顆鈕扣電池即達到很長的作業(yè)時間,。打造一款能以最低功耗提供性能夠好的系統(tǒng),，永遠都是一大挑戰(zhàn)。透過自適應(yīng)算法,，將有助于提高整體性能,，并為系統(tǒng)功耗找到最佳均衡點。此外,，在每次使用設(shè)備時,，還可以透過微幅改變其設(shè)定，讓所使用的功耗量達到最佳的SNR性能以及相關(guān)的HRM準(zhǔn)確度,。