你的位置:首頁 > 測試測量 > 正文

基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案

發(fā)布時間:2020-06-08 來源:吳建攀/Terry Wu 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備的市場需求正在持續(xù)上升,基于光電容積圖(PPG)技術(shù)的光學(xué)測量方法在穿戴市場的應(yīng)用越來越廣泛。Maxim針對可穿戴產(chǎn)品推出了完整的解決方案,在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。本文將介紹Maxim針對可穿戴產(chǎn)品推出的完整的解決方案,并重點(diǎn)介紹Maxim的光學(xué)人體生理指標(biāo)測量算法和低功耗sensor hub MAX32664的性能和優(yōu)點(diǎn)。
 
Maxim提供完整的光學(xué)生物測量方案
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
圖1. 完整光學(xué)測量開發(fā)方案
 
圖1所示,一個完整的光學(xué)測量方案在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用,主要包含4部分:
 
●   性能卓越的傳感器:針對人體各項(xiàng)生理特征指標(biāo)測量,如心率、血壓飽和度、血氧等,Maxim推出了一系列光學(xué)測量傳感器,適用于人體的耳朵、手腕、指尖、額頭、腹部等多個測量部位。此系列產(chǎn)品均帶有體積小,功耗低,高信噪比SNR的特點(diǎn),可為測量系統(tǒng)提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)raw data.
 
●   高性能高精度的人體生理指標(biāo)測量算法:Maxim算法團(tuán)隊(duì)完成了基本特征指標(biāo)的測量(心率、血氧飽和度和血壓),算法輸出精度均可達(dá)到FDA測量標(biāo)準(zhǔn)。此外,Maxim算法還可以輸出包括行為檢測、運(yùn)動信息和睡眠監(jiān)測等高級應(yīng)用結(jié)果。針對不同應(yīng)用,客戶可選擇不同算法模塊。所有算法均可集成到Maxim超低功耗sensor hub MAX32664中。
 
●   系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)仿真和設(shè)計(jì)驗(yàn)證:生理特征測量需要涵蓋不同人群,而人與人之間的膚色、體毛、血液容量等因素都有差異,這會影響測量的結(jié)果。光學(xué)測量方法,在結(jié)構(gòu)上容易受到環(huán)境光的干擾,在硬件設(shè)計(jì)上其微小的信號容易收到其它高頻信號的干擾。這些因素都會大大增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度。Maxim在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)上可以提供完整的設(shè)計(jì)規(guī)范和參考設(shè)計(jì),客戶只要在參考設(shè)計(jì)上做簡單的修改,即可完成客制化設(shè)計(jì),大大減小產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
 
●   專業(yè)的醫(yī)療臨床驗(yàn)證指導(dǎo):Maxim在產(chǎn)品開發(fā)過程中積累了豐富的臨床驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn),和國內(nèi)外的權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)也保持這良好的合作關(guān)系。這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)都可以用于指導(dǎo)客戶經(jīng)行產(chǎn)品的臨床驗(yàn)證和相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。
 
完整地解決方案,可以讓客戶靈活地選擇產(chǎn)品功能,大大地減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和驗(yàn)證時間,輕松無縫地把方案基礎(chǔ)到客戶開發(fā)臺,把產(chǎn)品推向市場。
 
Sensor Hub概述
 
MAX32664是Maxim光學(xué)人體生理指標(biāo)測量整體方案一部分,其內(nèi)置固件和可穿戴設(shè)備算法。它實(shí)現(xiàn)與了Maxim的光學(xué)傳感器的通信,并執(zhí)行其生理指標(biāo)測量算法,向外部主機(jī)交付傳感器原始數(shù)據(jù)或算法數(shù)據(jù),無縫地實(shí)現(xiàn)了客戶的需求。主控只需要通過I2C接口,讀取MAX32664的輸出結(jié)果,即可獲取所需的生物指標(biāo)測量結(jié)果。如下圖2是系統(tǒng)框圖:
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
圖2. 系統(tǒng)框圖
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
圖3. MAX32664 硬件框圖
 
Sensor Hub硬件介紹
 
MAX32664是Maxim新一代超低功MCU產(chǎn)品,硬件框圖如圖3,它具備如下特點(diǎn):
 
●   超強(qiáng)運(yùn)算能力:超低功耗ARM M4核的MCU,帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU),最高運(yùn)行時鐘96MHz
●   高集成度:自帶256KB flash、96KB RAM、16KB指令緩存、14個通用I/O引腳;
●   外設(shè)資源:一個SPI/I2C 接口完成與傳感器的通信,一個I2C slave與主機(jī)進(jìn)行通信;支持RTC和UART
●   超小體積:WLP(1.6mm x 1.6mm x 0.65mm)
●   超低功耗:工作模式:45uW/MHz,數(shù)據(jù)保持模式:85nW/KB
 
豐富的高性能算法
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
圖4. 算法模塊框圖
 
Maxim算法團(tuán)隊(duì)在生理指標(biāo)算法領(lǐng)域已經(jīng)默默耕耘超過五年,開發(fā)出了豐富的基礎(chǔ)算法和高級應(yīng)用算法。Maxim 算法團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域有著長遠(yuǎn)的計(jì)劃,不僅持續(xù)地對現(xiàn)有的算法進(jìn)行優(yōu)化,而且新的應(yīng)用算法也會不斷推出。以上算法模塊都可集成到sensor hub MAX32664中,主控通過I2C接口讀取算法結(jié)果即可,大大縮減開發(fā)周期。
 
如圖4,算法模塊主要包括:
 
基礎(chǔ)算法:
 
●   AFE 管理:對光學(xué)傳感進(jìn)行控制,同時對信號質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算,在保證算法精度的前提上,以達(dá)到功耗最低地目的,選擇最優(yōu)的光學(xué)傳感器驅(qū)動方式;
●   行為偵測與運(yùn)動補(bǔ)償:檢測人體的運(yùn)動狀態(tài),包括休息、跑步、騎行等,同時對生理指標(biāo)檢測進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償;
●   心率檢測:包括心率與心率變化率;
●   血氧飽和度檢測:適用于手腕、額頭和耳朵等部位,這是測量睡眠質(zhì)量的基礎(chǔ)指標(biāo);
 
高級應(yīng)用算法:
 
●   睡眠質(zhì)量和睡眠狀態(tài);
●   血壓:目前只支持指尖方案,精度可達(dá)FDA測量標(biāo)準(zhǔn);
●   呼吸率;
… …
 
基于不同測試部位的算法方案
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
圖5. 算法方案
 
如圖5所示,基于不同的測試部位,搭配不同的光學(xué)測量傳感器,Maxim推出了4種不同的算法方案,以滿足客戶根據(jù)需求:
 
●   MAX32664 A版本:搭配光學(xué)測量模組MAX30101/2,實(shí)現(xiàn)基于指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)和血氧飽和度(SPO2)的測量。
●   MAX32664 D版本:搭配光學(xué)測量模組MAX30101/2,實(shí)現(xiàn)基于指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)、血氧飽和度(SPO2)和血壓趨勢(BPT)的測量。
●   MAX32664 B版本:搭配光學(xué)測量模擬前端(AFE) MAX86140/1,  實(shí)現(xiàn)基于手腕或額頭的多項(xiàng)生理指標(biāo)測量,包括:心率、心率變化率、步數(shù)、卡路里計(jì)算、行為類別檢測等。
●   MAX32664 C版本:搭配光學(xué)測量模擬前端(AFE) MAX86140/1,  實(shí)現(xiàn)基于手腕或額頭的多項(xiàng)生理指標(biāo)測量,包括:心率、心率變化率、血氧飽和度、步數(shù)、卡路里計(jì)算、行為類別檢測等。
 
Sensor Hub超功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
表1. MAX32664 模式與功耗
 
●   MAX32664有兩種供電方式,如表1 所示,不同的供電方式,MAX32664 在active 模式中,功耗有較大差別。在主機(jī)供電靈活可行的基礎(chǔ)上,建議選擇雙供電方式。
●   得益于Maxim算法團(tuán)隊(duì)高效的算法設(shè)計(jì)和MAX32664強(qiáng)大的運(yùn)算能力,MAX32664可以在很短的時間內(nèi)計(jì)算出算法結(jié)果,并自動進(jìn)入超低功耗的deep sleep 模式。如表2所示,sensor hub 的平均計(jì)算時間均<5%,平均功耗都<0.8mW,最低可達(dá)0.43mW。
●   MAX32664進(jìn)入deep sleep 模式后,主控只需要拉低睡眠喚醒引腳MFIO即可做喚醒,操作方便實(shí)現(xiàn)。 
 
基于MAX32664的可穿戴光學(xué)測量方案
表2. MAX32664 平均功耗
 
(VDD: 1.8V, VCORE:1.1V, CPU 時鐘: 96MHZ, Sensor Hub測量間隔:1秒/次)
 
算法在線升級
 
MAX32664在出廠前,均已經(jīng)燒錄支持I2C接口的bootloader,支持在線燒錄升級功能。產(chǎn)品上市后,Maxim新推出或更優(yōu)化的算法仍然可以得到升級。
 
參考文獻(xiàn)
 
1. MAX32664數(shù)據(jù)手冊
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX32664.pdf
2. MAX30101數(shù)據(jù)手冊
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30101.pdf
3. MAX86140數(shù)據(jù)手冊
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX86140.pdf
4. MAX32664用戶指南
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6806
 
 
推薦閱讀:
 
使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動器的能源效率
貿(mào)澤電子2020年5月新品推薦
ROHM的汽車照明解決方案
面向工業(yè)條形碼閱讀器應(yīng)用的低成本高性能圖像傳感器
一文讀懂“容錯”與“冗余”技術(shù)
要采購傳感器么,點(diǎn)這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉