基于SIMO技術(shù)的低功耗心率手環(huán)測量方案

作者：方良,Maxim Integrated首席應(yīng)用工程師時(shí)間：2019-06-27 來源：電子產(chǎn)品世界

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本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201906/401978.htm

目前市場上心率測量主要有電勢測量和光電測量兩種方法。電勢測量是一種比較傳統(tǒng)的測量方法，該方法通過獲取心電信號(hào)，經(jīng)過R-R峰值檢測獲得心率。而光電測量在穿戴市場方面比較流行，其測量基于“光電容積圖”（PPG）技術(shù)。該方法利用了血液對(duì)綠光或其它光的吸收性，通過測量反射或透射光強(qiáng)的變化來反映血流量的變化，也即心臟的收縮和舒張，從而得到對(duì)應(yīng)的心率數(shù)據(jù)。這種方法的基本原理是當(dāng)光照透過皮膚組織后再反射到光敏傳感器時(shí)，光會(huì)有一定的衰減。而有些衰減，像肌肉、骨骼、靜脈和其他連接組織等對(duì)光的吸收是基本不變的，但是血液不同，由于動(dòng)脈里有血液的流動(dòng)，那么對(duì)光的吸收會(huì)有所變化。當(dāng)我們把光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，正是由于動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化而其他組織對(duì)光的吸收基本不變，得到的信號(hào)就可以分為直流DC信號(hào)和交流AC信號(hào)。提取其中的AC信號(hào)，就能反應(yīng)出血液流動(dòng)的特點(diǎn)，從而得到心率和其它生理參數(shù)。大部分的腕帶式心率測量設(shè)備都采用了這種反射式測量方法，我們這款設(shè)計(jì)也是采用了反射的PPG技術(shù)。

系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為本設(shè)計(jì)框圖。該設(shè)計(jì)采用3.7V 鋰電池供電，USB 對(duì)其充電，整個(gè)電源管理采用了Maxim SIMO技術(shù)的集成電源管理芯片MAX77651B。對(duì)PPG的處理，設(shè)計(jì)采用了Maxim最新的高性能處理前端MAX30112。而處理器用的是Maxim專門針對(duì)穿戴等應(yīng)用場合的MAX32660。整個(gè)板子的尺寸（包括所有元件）是36mm*14mm，可以嵌入到目前市場上絕大部分流行的手環(huán)帶中。

圖1. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

圖2. MAX30112 結(jié)構(gòu)框圖

模擬集成前端

MAX30112是Maxim公司完整的光學(xué)血氧和心率檢測模擬前端(AFE)，具有19位高分辨率，并內(nèi)置了環(huán)境光消除電路和噪聲消除電路，可以有效的去除噪聲，提高信噪比。芯片集成了高達(dá)200mA的電流LED驅(qū)動(dòng)電路，并可以通過內(nèi)置DAC準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電流大小，以適應(yīng)不同的測量場合和人群。MAX30112是腕式應(yīng)用的極低功耗的高性能心率/血氧檢測解決方案，主電源1.8V，支持標(biāo)準(zhǔn)I2C兼容接口，體積只有2.8mm x 2.0mm，主要用在腕式可穿戴設(shè)備，心率和SpO2監(jiān)測設(shè)備以及健身可穿戴設(shè)備上。

處理器單元與心率算法

MAX32660是帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自帶256KB閃存、96KB RAM、16KB指令緩存、14個(gè)通用I/O引腳，采用簡單的SWD編程。其內(nèi)部振蕩器工作頻率高達(dá)96MHz，支持SPI，UART和I2C通信。它集成了優(yōu)化的電源管理單元，待機(jī)電流只有2uA，可以最大程度延長電池的工作時(shí)間。MAX32660的超低待機(jī)功耗，靈活的電源配置，超小體積（1.6mm x 1.6mm），使其非常適合可穿戴設(shè)計(jì)應(yīng)用，包括運(yùn)動(dòng)手表，手環(huán)，健身設(shè)備，可穿戴醫(yī)用貼片，手持醫(yī)療設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，MAX32660處理各種軟件工作，還包括一款動(dòng)態(tài)心率算法。

圖3. MAX32660 結(jié)構(gòu)框圖

圖4.jpg

圖4. MAX32660 軟件流程圖

模擬前端測試：MAX30112作為信號(hào)處理的核心部分，其信噪比直接決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的性能，下圖是幾位測試對(duì)象的信號(hào)輸出波形，可以看到PPG波形質(zhì)量很好，完全可以滿足各種算法要求。

lady_w1, 30years old, wrist, HR=84

Kid boy_f3, 9 years old, wrist, HR=72

man_l4, 42 years old, wrist, HR=76

man_f6, 42 years old, wrist, HR=68

信號(hào)處理測試：為了說明效果，我們專門開發(fā)了靜態(tài)的心率算法，該算法可以根據(jù)測試對(duì)象特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤調(diào)整測量參數(shù)。我們隨機(jī)抽取了幾組測量對(duì)象，和目前市場上流行的手環(huán)產(chǎn)品對(duì)比。以下是測試對(duì)比表。

Table 1. 測試對(duì)比表（測試條件：手腕，共6名測試者）

電源管理系統(tǒng)

穿戴設(shè)備都是電池供電，對(duì)工作時(shí)間有一定要求，同時(shí)對(duì)體積也有嚴(yán)格要求，希望越小越好。比如本設(shè)計(jì)要求在120mAH的電池下，可連續(xù)工作24小時(shí)，待機(jī)可以達(dá)到2周。因此，電源管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。小尺寸、鋰電池供電設(shè)備的大多數(shù)PMIC還會(huì)需要其它附加器件，例如boost、buck或低壓差（LDO）穩(wěn)壓器、充電管理器或用于LED顯示器的電流調(diào)節(jié)器。為節(jié)省空間、提高效率，MAX77651將上述功能全部集成在一起，構(gòu)成完整的電源方案，而面積只有19.2mm2 ，基本是當(dāng)前市場上類似方案尺寸的1/2。MAX77651另一個(gè)顯著特點(diǎn)是采用單電感多輸出（SIMO） buck-boost架構(gòu)，憑借獨(dú)特的內(nèi)部控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單個(gè)電感提供三路電源輸出，并結(jié)合150mA LDO和三路灌電流驅(qū)動(dòng)器，大大減少板級(jí)元器件數(shù)量，最大程度地增大電路板可用空間。為提高設(shè)計(jì)靈活性，MAX77651分別支持最高3.3V和5V工作電壓，同時(shí)也提供各種工廠編程選項(xiàng)，允許客戶根據(jù)自身需求量身定制方案，使產(chǎn)品快速上市，是一款理想的低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)用的芯片。因此，MAX77651具有超低待機(jī)功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的顯著優(yōu)勢。下圖是采用Maxim SIMO方案和傳統(tǒng)電源方案的一個(gè)示例對(duì)比測試。

圖5. SIMO方案和傳統(tǒng)電源方案對(duì)比

圖 6. MAX77651 應(yīng)用框圖　　

電源測試：系統(tǒng)既有高精度模擬電源，也有數(shù)字電源，而我們?cè)O(shè)計(jì)采用的是單一集成的電源方案，因此其性能對(duì)系統(tǒng)精度極為重要。電路設(shè)計(jì)和PCB布線一定要以數(shù)據(jù)手冊(cè)要求為主，尤其重點(diǎn)要注意以下幾點(diǎn)：

一是IN_SBB和SBBx的電容要盡可能的靠近管腳，盡量不要有過孔；

二是SBBx的輸出走線盡可能短，減少和負(fù)載端的分布參數(shù)；

三是由于SIMO 是高度集成方案，外圍器件很少，主要就一個(gè)電感和幾個(gè)電容，所以整個(gè)尺寸很小。為了保證性能，需要多層布板，建議4層或以上，保證有單獨(dú)的電源層和地層。

下圖是本參考設(shè)計(jì)測試的MAX77651B 輸出波形，可以看到紋波最大是40mVpp。這是單一電感3輸出的效果，性能完全可以接受。