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集成算法处理的高灵敏度健康传感器腕带参考设计方案--美信MAXREFDES103评测

2020/06/02 作者:电路城噜咔
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健康永远是一个备受大众关注的话题,而今年又一次成为了人们关注的焦点风口浪尖。现在人们缺乏运动,很多人却全然不知自己处在亚健康状态。如何才能即及时又方便地知道自己的健康状态呢?健康腕带无疑是一个很好的选择。而市面上的腕带设备品类繁多、良莠不齐,很多产品测量不准,最后也只被能当成玩具使用。作为研发人员,如果想从零开发功能完备的健康腕带,难度大、时间长。怎么能快速地开发一套测量准确的健康腕带呢?让我们一起来看看美信最近推出的MAXREFDES103参考设计可以给我们带来什么样的惊喜吧!

开箱

MAXREFDEF103参考设计方案装使用简洁的白色纸壳作为包装,一张打印了产品简介的标签贴在盒子的正面,简洁明快,直奔主题。

打开外包装后可以看到一张泡棉保护着器件。

拆开包袋装,我们拿到了以下器件:

  1. 1个MAXREFDES103腕带
  2. 1个MAXDAP连接器
  3. 1根Type-C USB数据线
  4. 2根Micro USB数据线
  5. 1张备用的遮光贴纸

MAXREFDES103简介

MAXREFDES103为腕戴式可穿戴设备,适用于健康检测应用,具备高灵敏度和算法处理功能。该健康传感器腕带平台包括外壳和生物传感器集,带有嵌入式算法,适用于心率和 血氧的测量,依靠传感器集中器MAX32664C来自于模拟前端(AFE) MAX86141的PPG信号。产品可通过Bluetooth®将结果或原始数据传输到Android® app或PC GUI上,用于用户后续的演示、评估和定制开发。

特性

• 光电容积脉搏波描记法(PPG)

• 基于腕带的嵌入式心率、血氧饱和度 (SpO2) 算法

• 心率变异性(HRV)、呼吸频率、睡眠质量算法

• 可穿戴健康腕带规格

• MAX32664传感器集中器

• MAX86141 PPG模拟前端

• 三轴加速度计

• Windows® 和Android图形用户界面

硬件描述

拆开 MAXREFDES103腕带,可以看到产品内部整体由控制板和传感器板两块电路板组成,之间由一根FPC排线连接,上下排布,安装在壳体内部。

先看看控制主板部分,主板通过TYPE C USB接口连接上位机,MAX14689EWL+T单刀双开模拟开关用于切换USB的调试和数据模式。MAX20303BEWN+提供整个方案电路的电源管理功能。MAX32630作为主控芯片,进行数据通讯、收集、处理及存储。板载64MB的FLASH MX25U51245GZ4I54用于离线数据的存储。6轴加速度、陀螺仪BMi160用于采集运动数据。内置CC2564的PAN1326B BLE蓝牙模块与外部应用进行通讯。

再看看传感器电路板部分,3轴加速度传感器KX122-1037、光学数据采集MAX86141通过SPI接口与传感器集中器MAX32664GWEZ+连接,同时MAX32664GWEZ+与主控制板通过I2C接口连接。

通过下面的系统框图,我们可以更直观地观看MAXREFDES103的硬件结构。

通过上面的介绍我们可以看到,美信在整个方案的核心部分都使用了自己的芯片,如电源管理芯片MAX20303、主控MAX32630、集成了算法的传感集中器MAX32664、光学脉搏血氧和心率传感器MAX86141、四路单刀双掷开关MAX4740,其他传感器和存储器则选取了各家优势的芯片。

下面我们来看下整个方案使用的几颗核心芯片吧。

MAX20303

MAX20303是用于超低功耗可穿戴应用的可编程电源解决方案。MAX20303不但可提高效率,而且占位尺寸极小,可大大减小设计尺寸。MAX20303借助一组灵活的功率优化稳压器,可实现高集成度,从而打造全面优化的电源架构。每个稳压器的静态电流专门设置为1μA(典型值),从而延长始终要处于工作状态的应用的电池寿命。

MAX20303的特性如下:

• 延长电池充电间隔,延长电池使用时间

• 2个Micro-IQ降压稳压器(每个稳压器的IQ均小于1μA(典型值))

              • 220mA输出

              • Buck1:0.8V至2.375V(25mV步进)

              • Buck2:0.8V至3.95V(50mV步进)

• Micro-IQ LV LDO/负载开关(1μA IQ(典型值))

              • 1.0V至2.0V输入电压

              • 50mA输出

              • 0.5V至1.95V输出(25mV步进)

       • Micro-IQ LDO/负载开关(1μA IQ(典型值))

              • 输入电压范围:1.71V至5.5V

              • 100mA输出

              • 0.9V至4V(100mV步进)

      • Micro-IQ降压-升压稳压器(1.3μA IQ(典型值))

      • 250mW输出

      • 2.5V至5V(100mV步进)

• 易于实现的Li+电池充电

     • 较宽的快速充电电流范围:5mA至500mA

     • 智能电源选择器

     • 28V/-5.5V容限输入

     • 可编程JEITA电流/电压分布

• 高度集成,最大限度减小解决方案的占位面积

    • 安全输出LDO

             • 存在CHGIN时为15mA

              • 5V或3.3V

• 触觉驱动器

              • 具有快速启动和中断功能的ERM/LRA驱动器

              • 自动共振跟踪(仅限LRA)

• 支持多种显示设置

• Micro-IQ升压稳压器(2.4μA IQ(典型值))

    • 300mW输出

   • 5V至20V(250mV步进)

   • 3通道灌电流

              • 可耐受20V的电压

              • 可编程范围:0.6mA - 30mA

              • 优化系统控制

              • 上电/复位控制器

              • 可编程按钮控制器

              • 可编程电源排序

              • 工厂货架模式

              • 片上电压监测器多路复用器模数转换器 (ADC)

MAX20303的典型应用框图如下:

可以说,MAX20303考虑了穿戴设备电源管理的各种情况,从一开始就是为了可穿戴设备而生。

MAX32630

MAX32630 是一颗基于Cortex-M4F的微控制器,它非常适合用于可穿戴医疗和健身设备。该MCU采用工作频率高达96MHz的内部振荡器。该器件还具有低功耗4MHz振荡器系统时钟选项,用于持续监控应用,在LP0模式下的待机电流只有600nA。

MAX32630主要特性如下:

• 用于可穿戴设备的高效微控制器

• 内部振荡器工作频率可达96MHz

• 可选低功耗4MHz振荡器系统时钟,用于应用的持续监控

• 2MB闪存

• 512KB SRAM

• 8KB指令缓存

• 1.2V内核电源电压

• 1.8V-3.3V I/O

• 可选3.3V ±5% 的USB支持电压

• 电源管理方案最大程度延长了电池使用寿命

• 从缓存执行的106μA/MHz工作电流

• 可唤醒至96MHz时钟或4MHz时钟

• 600nA低功耗模式(LP0)电流,已启用RTC

• 3.5μW超低功耗数据保持睡眠模式(LP1),5μs快速唤醒时间,频率96MHz

• 最优外设组合,提高平台扩展性

• SPIX现场执行(XIP)引擎,实现了内存扩展,占位最小

• 3个SPI主器件,1个SPI从器件

• 4个UART

• 3个I2C主器件,1个I2C从器件

• 1线主器件

• 全速USB 2.0引擎,带内部收发器

• 16个PWM引擎

• 6个32 位计时器和3个看门计时器

• 多达66个通用I/O引脚

• 1个10位Δ-Σ ADC,工作频率为7.8ksps

CMOS级32kHz RTC输出

MAX32630系统框图如下:

作为腕带的主控MCU,MAX32630的功耗低,接口多,胜任各种运算和逻辑处理。

MAX32664

MAX32664为传感器集中器,带有适合可穿戴设备的嵌入式固件和算法。器件无缝支持客户所需的传感器功能,包括与Maxim的光学传感器方案通信,以及为外部提供原始或计算得到的数据。在实现以上功能的同时,保证系统总功耗在控制范围之内。

MAX32664版本A支持MAX30101/MAX30102高灵敏度脉搏血氧仪和心率传感器,适用于基于手指的可穿戴健康应用。

MAX32664版本B支持MAX86140/MAX86141,适用于基于腕戴的监测。

传感器集中器接口提供可连接到微控制器主机的快速模式、I2C从机接口。还有一个I2C接口专用于与传感器通信。

微小尺寸(1.6mm x 1.6mm、16焊球WLP封装),允许集成到极小体积的应用设备。

MAX32664主要特性如下:

• 生物识别传感器集中器应用算法支持更快上市时间

• 脉搏心率

• 脉搏血氧饱和度(SpO2)

• 血压趋势

• 提供原始和计算得到的数据

•优化的尺寸和性能

• 1个从机I2C接口,用于与主机控制器通信

• 1个主机I2C接口,用于与传感器通信

• 32.768kHz RTC

• FIFO提供最低程度的主机处理器介入

• 安全、经过认证的固件升级

MAX32664系统框图如下:

MAX86141

MAX86140为超低功耗、全集成、光学数据采集系统。在发送器侧,MAX86140有3个可编程高电流LED驱动器,可配置驱动多达6个LED。两片MAX86140器件以主-从模式工作时,LED驱动器可驱动多达12个LED。在接收器侧,MAX86140有一个低噪声信号调理模拟前端(AFE),包括一个19位ADC、一个业界领先的环境光抵消(ALC)电路,以及栅栏检测和更换算法。MAX86140拥有较低功耗、紧凑的尺寸、使用简单灵活以及业界领先的环境光抑制能力,器件可应用于较宽范围的各种光检测应用,例如脉搏血氧和心率检测。

MAX86140工作在1.8V的主电源电压,和3.1至5.5V的LED驱动器电源电压。器件支持标准SPI兼容接口和全自主操作。器件具有128字节的内置FIFO。MAX86140采用小尺寸晶圆级封装(WLP) (2.048mm x 1.848mm),焊球间距为0.4mm。

MAX86141主要特性如下:

• 完备的单通道、光学数据采集系统

• 内置算法进加强环境光抑制功能

• 结构针对透射、反射心率和SpO2的监测进行优化

• 较低暗电流噪声:< 50pA RMS

•凭借多种采样模式和片上平均功能,可实现更低的有效暗电流噪声

• 高分辨率、19位积分ADC

• 3个低噪声、8位LED电流DAC

具有优异的动态范围:>90dB

• 凭借多种采样模式和片上功能,对于SpO2,动态范围可扩展至>104dB;对于HRM,动态范围可扩展至>110dB

优异的环境光检测和抑制能力

环境光检测器电流> 100μA

环境光抑制:> 70dB @ 120Hz

使人体可穿戴设备以极低功耗工作

低功耗操作,光学读数通道的典型功耗<10μA @ 25sps

较短照射积分周期:14.8μs29.4μs58.7μs117.3μs

较低关断电流:20μW(典型值)

微小、2.048 x 1.848mm5 x 4 0.4mm的焊球间距封装

-40°C+85°C工作温度范围

MAX86141系统框图如下:

 

应用程序演示

MAXREFDES103可以搭配PC端的Maxim Device StudioAndroidMaxim Health Sensor Platform App进行操作。

相关应用可以在美信的官方网站对应的产品页下载。

完成安装后,在PC端打开Maxim Device Studio,因为MAXREFDES103使用的PAN1326B使用的是BLE协议栈,WIN10可以直接使用BLE进行连接。WIN7及之前的WINDOWS版本并没有集成BLE协议栈,所以无法使用蓝牙直接连接腕带,但可以使用USB进行连接。

这里使用了WIN10版本的系统,选择Windows BLE点击“Scan”,可以看到搜到了几个蓝牙设备,选中HSP2SPO2设备进行连接。

连接完成后,可以看到腕带的主控、传感器集中器以及算法的版本信息,如果随机的软件版本过低的话可以使用MAXDAP连接器连接腕带和电脑对其进行升级。

点击Launch Tool可进入操作界面。算法模式下腕带将传感器采集的数据上传到上位机,我们可以直观的看到光学传感器测得的红外、红光、绿光的计数,和XYZ轴的运动数据,并且可以直观地观察传感器数据的变化曲线。

省电模式下,腕带将处理好的数据上传到上位机,这里我们可以看到最终的心率、心率可信度、血氧饱和度,血氧饱和度可信度、步数、能量消耗等结果。

安卓系统下的Maxim Health Sensor Platform App相比较Windows系统下的GUI软件,更加面向终端用户,通过算法也具备了很多基础功能以外的功能。

打开软件,等手机蓝牙扫描到腕带设备之后,点击设备名称进行选中。

目录中包含多个功能选项,点击对应图标即可进入对应的测试。

心率变化功能给出了心率测量的各种参数。

脉搏、血氧在同一个窗体中显示,更直观。应用还对测量时测试环境进行监测,以对数据可信度进行评估。

睡眠质量通过检测睡眠时候手臂动作和心率、血氧,将处理后的数据以曲线的方式呈现出来。

APP通过心率变化波动来测算紧张程度,这也是一个有趣的功能。

除此之外APP还提供了运动训练的功能,可以通过动态测试来记录运动状况从而达到了解、提升身体状态的目的。

总结

美信的这一款MAXREFDES103让我们对健康腕带设备设计有了一个整体的认知。应用软件方面,各种数据的处理算法向我们呈现了一个健康腕带产品生态下的丰富功能。电路方面,主控板和传感器板分离的结构化电路设计,让客户未来设计的定制更具灵活性。值得一提的是,美信集成了优秀算法的传感器集中让整个传感器的数据采集和处理变得十分简便,大大降低了腕带产品的开发难度。这样的集算法和功能为一体的芯片,一定是日息万变的应用开发市场所真正需要的东西。

版权声明:本文系电路城原创评测,转载请注明出处

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