基于SIMO技術(shù)的低功耗心率手環(huán)測量方案

心率測量

目前市場(chǎng)上心率測量主要有電勢測量和光電測量?jì)煞N方法。電勢測量是一種比較傳統的測量方法，該方法通過(guò)獲取心電信號，經(jīng)過(guò)R-R峰值檢測獲得心率。而光電測量在穿戴市場(chǎng)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綠光或其它光的吸收性，通過(guò)測量反射或透射光強的變化來(lái)反映血流量的變化，也即心臟的收縮和舒張，從而得到對應的心率數據。這種方法的基本原理是當光照透過(guò)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)，那么對光的吸收會(huì )有所變化。當我們把光轉換成電信號時(shí)，正是由于動(dòng)脈對光的吸收有變化而其他組織對光的吸收基本不變，得到的信號就可以分為直流DC信號和交流AC信號。提取其中的AC信號，就能反應出血液流動(dòng)的特點(diǎn)，從而得到心率和其它生理參數。大部分的腕帶式心率測量設備都采用了這種反射式測量方法，我們這款設計也是采用了反射的PPG技術(shù)。

系統架構

圖1所示為本設計框圖。該設計采用3.7V 鋰電池供電，USB 對其充電，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PPG的處理，設計采用了Maxim最新的高性能處理前端MAX30112。而處理器用的是Maxim專(zhuān)門(mén)針對穿戴等應用場(chǎng)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(chǎng)上絕大部分流行的手環(huán)帶中。

圖1. 設計系統框圖

圖2. MAX30112 結構框圖

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200mA的電流LED驅動(dòng)電路，并可以通過(guò)內置DAC準確調節電流大小，以適應不同的測量場(chǎng)合和人群。MAX30112是腕式應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，支持標準I2C兼容接口，體積只有2.8mm x 2.0mm，主要用在腕式可穿戴設備，心率和SpO2監測設備以及健身可穿戴設備上。

處理器單元與心率算法

MAX32660是帶有浮點(diǎn)運算單元 (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(jiǎn)單的SWD編程。其內部振蕩器工作頻率高達96MHz，支持SPI，UART和I2C通信。 它集成了優(yōu)化的電源管理單元，待機電流只有2uA，可以最大程度延長(cháng)電池的工作時(shí)間。MAX32660的超低待機功耗，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計應用，包括運動(dòng)手表，手環(huán)，健身設備，可穿戴醫用貼片，手持醫療設備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應用。本設計中，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 結構框圖

圖4. MAX32660 軟件流程圖

模擬前端測試：MAX30112作為信號處理的核心部分，其信噪比直接決定了整個(gè)設計的性能，下圖是幾位測試對象的信號輸出波形，可以看到PPG波形質(zhì)量很好，完全可以滿(mǎn)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

信號處理測試：為了說(shuō)明效果，我們專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了靜態(tài)的心率算法，該算法可以根據測試對象特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤調整測量參數。我們隨機抽取了幾組測量對象，和目前市場(chǎng)上流行的手環(huán)產(chǎn)品對比。以下是測試對比表。

Table 1. 測試對比表（測試條件：手腕，共6名測試者）

電源管理系統

穿戴設備都是電池供電，對工作時(shí)間有一定要求，同時(shí)對體積也有嚴格要求，希望越小越好。比如本設計要求在120mAH的電池下，可連續工作24小時(shí)，待機可以達到2周。因此，電源管理系統就顯得尤為重要。小尺寸、鋰電池供電設備的大多數PMIC還會(huì )需要其它附加器件，例如boost、buck或低壓差（LDO）穩壓器、充電管理器或用于LED顯示器的電流調節器。為節省空間、提高效率，MAX77651將上述功能全部集成在一起，構成完整的電源方案，而面積只有19.2mm2 ，基本是當前市場(chǎng)上類(lèi)似方案尺寸的1/2。MAX77651另一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是采用單電感多輸出（SIMO） buck-boost架構，憑借獨特的內部控制系統實(shí)現單個(gè)電感提供三路電源輸出，并結合150mA LDO和三路灌電流驅動(dòng)器，大大減少板級元器件數量，最大程度地增大電路板可用空間。為提高設計靈活性，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(chǎng)編程選項，允許客戶(hù)根據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計應用的芯片。因此，MAX77651具有超低待機功耗（0.3uA），高效率，少器件，小尺寸的顯著(zhù)優(yōu)勢。下圖是采用Maxim SIMO方案和傳統電源方案的一個(gè)示例對比測試。

圖5. SIMO方案和傳統電源方案對比

圖 6. MAX77651 應用框圖　　

電源測試：系統既有高精度模擬電源，也有數字電源，而我們設計采用的是單一集成的電源方案，因此其性能對系統精度極為重要。電路設計和PCB布線(xiàn)一定要以數據手冊要求為主，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(guò)孔；

二是SBBx的輸出走線(xiàn)盡可能短，減少和負載端的分布參數；

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，保證有單獨的電源層和地層。

下圖是本參考設計測試的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。

圖7. MAXREFDES1207電源紋波測試

測試

圖8是本設計的產(chǎn)品，我們所有測試都是基于它進(jìn)行的測試。

圖8. MAXREFDES1207

參考文獻：

1． MAX30112數據手冊，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/sensors/MAX30112.html

2． MAX77651數據手冊，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html

3． MAX77650/MAX77651 編程手冊，Maxim Integrated Products

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428

4． MAX32660數據手冊，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html

5． MAX32660 用戶(hù)編程手冊，Maxim Integrated Products

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659