基于A(yíng)MS AS7000動(dòng)態(tài)心率測量智能手環(huán)

圖3    三軸加速度傳感器LIS3DH最小系統原理圖
芯片10管腳BTMS：電池電壓輸出引腳，分壓之后一般 用來(lái)檢測電池端電壓。
芯片11管腳BATSNS：電池正極。
芯片12管腳BAT：電池正極。
1.2   三軸加速度傳感器
方案中， 我們用了2個(gè)三軸加速度傳感器， 其中一個(gè) 三軸加速度傳感器是做運動(dòng)記錄的，我們可以使用傳感器 做計步、睡眠等算法；而另外一個(gè)三軸加速度傳感器是和 AS7000配合做動(dòng)態(tài)心率檢測功能的。三軸加速度我們使用 的是意法半導體的LIS3DH，工作電流消耗最低位2uA，這款
3×3×1mm的加速度傳感器最適合運動(dòng)感應功能、空間和功 耗受限的應用設計，特別適合智能手環(huán)上的應用。LIS3DH 在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范圍內，LIS3DH可提供非常 準確的測試數據輸出，在額定溫度和長(cháng)時(shí)間工作下，仍能保 持卓越的穩定性。本方案中，我們會(huì )使用LIS3DH完成計步功能的實(shí)現。計步器是一種日常鍛煉進(jìn)度監
控器，可以計算人們行走的步數，估計行走 距離、消耗的卡路里，方便人們隨時(shí)監控自 己的健身強度、運動(dòng)水平和新陳代謝。
如圖3所示，芯片4、6是作為I2C通訊引 腳，分別是對于I2C的時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)。
芯片第7引腳是LIS3DH芯片從機地址的 選擇，接地代表本機從機7位地址是0x18，芯 片第8引腳接高電平，代表選擇的是I2C通訊 接口，如果接地代表選擇SPI通訊接口。
芯片9、11管腳：分別對應三軸傳感器 的中斷信號輸出引腳，一般用于數據緩存溢 出時(shí)的給MCU端的中斷信號，有利于我們在 做計步算法 的時(shí)候管理MCU的功耗。
1.3  AS7000動(dòng)態(tài)心率檢測系統
心 率 我 們 采 用 了 A M S 的 心 率 檢 測 芯 片 AS7000，該產(chǎn)品包含了高度集成的光學(xué)傳感 器和相關(guān)軟件算法。它可提供行業(yè)領(lǐng)先的高 精度光學(xué)心率測量(HRM)和心率變化(HRV) 測量。 A S 7 0 0 0 的運作基于光電容積脈搏波 描記法（PPG）。心臟收縮和擴張時(shí)流經(jīng)血 管血量的變化會(huì )引起血管的擴張及收縮從而 對光產(chǎn)生調制，通過(guò)測量該調制光可測得心 率。與產(chǎn)生原始PPG數據的現有光學(xué)AFE不
同， AS7000集成的微處理器可運行艾邁斯半導體開(kāi)發(fā)的特 殊算法，將PPG數據轉換成HRM和HRV值。它內部集成了2 個(gè)綠色LED、光敏器件、模擬前段(AFE)、微處理器M0以及 HRM算法，它能實(shí)現高精度的測試，不管我們是在跑步、 騎車(chē)，AS7000低噪聲和高靈敏度的模擬電路，算法結合加 速度傳感器，過(guò)濾虛假心跳PPG信號。同時(shí)，心率監督在智 能手環(huán)上的應用特別要考慮它的功耗問(wèn)題，AS7000在心率 連續測試模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在測試待 機模式下，可以降低到0.8uA。
AS7000的芯片內部已經(jīng)集成了心率采樣算法，所以我 們只要通過(guò)I2C接口去讀取數據。
如圖4所示，其中第13、14引腳是和Host主機端的I2C通 訊引腳。
第7、8引腳是AS7000的SWD仿真接口，AS7000內部是 一個(gè)M0內核的MCU，主要用于心率算法的處理。其中第8

圖4   AS7000原理
引腳 GPIO8是控制AS7000芯片是否進(jìn)入待機模式，GPIO8輸 出高電平，AS7000待機；GPIO8輸出低電平，AS7000正常運 行模式。
第11、12引腳是AS7000和LIS3DH的I2C通訊引腳，主要 是因為AS7000在實(shí)現動(dòng)態(tài)心率測試的時(shí)候，需要過(guò)濾掉運 動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的干擾。
第16引腳是GPIO5，在動(dòng)態(tài)心率算法的時(shí)候，AS7000 需要三軸加速度傳感器數據，第一種是可以像本方案這樣單 獨掛一顆三軸加速度傳感器，另外一種是可以向主機請求三 軸加速度數據。GPIO5就是在第二種方式的時(shí)候使用到的。 但是考慮到三軸加速度的同步性問(wèn)題，我們一般推薦第一種 方式。
第3引腳，是Sigref引腳，AS7000的SWD功能是內部可 以關(guān)閉的， 當我們關(guān)閉S WD時(shí)， 我們需要在A(yíng) S7000的上 電前，把Sigref引腳接到地，此時(shí)從上電之后的5s時(shí)間內， SWD是活躍的，可以通過(guò)SWD接口實(shí)現對AS7000的程序燒 寫(xiě)功能。
第1、2、17、18引腳是AS7000 LED燈的電源，我們最 好的設計是需要一顆DC/DC升壓到4V供電，為了確保足夠 大的LED電流，同時(shí)要注意的是DC/DC需要有一個(gè)EN使能 信號腳，用于控制功耗使用。本方案中我們是直接使用電池 電壓作為電源，在測試中我們需要注意在電池電壓3.6V以上 測試效果比較理想。同時(shí)我也使用了一個(gè)MOS管去控制整 個(gè)電源的導通或截止。
1.4 觸摸
我們選擇的是CY的SoC藍牙芯片CYBL10573，它內部集 成了Capacitive Sigma-Delta(CSD)模塊，可以提供一流的信噪 比和防水性能，所有GPIO都支持CapSense，使用靈活，并且支持單指和雙指觸摸應用。