快速建立一种临床级的有氧健身可穿戴设备，并使用最小的部件---凯利讯半导体

　　在传感器数据采集、信号处理和处理方面，对能够从个人健康监测设备中提供更全面的临床级数据的产品的需求带来了巨大的挑战。然而，开发人员现在已经可以向他们提供近距离的硬件和软件解决方案，为快速实现能够提供广泛的高级生理测量的临床级产品提供了一个灵活的基础。
　　本文将从马克西姆的综合论述中引入一个这样的解决方案，并讨论如何使用它来解决高级健身和健康测量的挑战。

　　健康监测和预测
　　非侵入性健康和健康监测和预测能力已经成为越来越多的产品在消费者和医疗领域的关键需求。在创建这些功能时，开发人员依赖于一组丰富的数据，这些数据代表了通过一系列已证实的方法生成的不同的生理过程。诸如心率等基本数据提供了个人身体状况、从生理压力中恢复的能力以及其他结果的重要信息。
　　对动脉氧饱和度、呼吸速率和心脏反应的更深入的了解不仅在临床诊断中是至关重要的，而且在更广泛的健身环境中也适用于身体训练和延伸健康。

　　测量方法
　　尽管它们在主流产品中的应用尚处于起步阶段，但用于测量这些特征的方法已经在急性观察和长期临床护理中使用了数十年。对于基本的心率测量，光学体积描记法利用了光吸收或反射的变化，这些变化与每次心跳时通过皮肤血管的血液量的增加或减少有关。脉搏血氧测量通过比较两种不同波长的氧合血红蛋白(氧合血红蛋白)和脱氧血红蛋白(脱氧血红蛋白)的光吸收或反射来估计周围的氧饱和度(SpO2)。氧合血红蛋白吸收的光比红外(IR)波长约940纳米(nm)的脱氧血红蛋白多，而且脱氧血红蛋白在可见光波长约660 nm处吸收更多的光。因此，对每个波长的接收光进行比较，可以在外周血血管中提供SpO2。
　　对更详细和更全面的健康数据的兴趣不断上升，继续推动对更精密的测量的需求。其中，生物电位测量使用电压感应电极来追踪与心脏动作相关的电压变化，从而产生心电图(ECG)或与其他肌肉纤维相关，从而产生一个肌电图(EMG)。为了测量心脏健康，心电图(ECG)中的P、QRS和T复合物的性质可以提供大量的信息(图1)。
　　ECGs的图像提供了关于心脏健康的广泛信息。


　　图1:ECGs提供了基于振幅、形状和波形定时的心脏健康的广泛信息。

　　至少，一个R波到下一个(称为R-to-R测量)之间的时间提供了心率的瞬时测量。有经验的临床医生可以通过检查每个波形的形状和幅度以及波形之间的时间变化，来识别心脏健康和病理的详细信息。
　　也许不太熟悉的是，生物阻抗测量利用了与底层组织和器官变化相关的阻抗变化。例如，在呼吸过程中，肺内空气量的变化转化为生物阻抗的变化，提供了一种简单但可靠的测量呼吸速率和相对振幅的方法。健康专家在应用中采用生物阻抗测量方法，如血糖检测、肺炎检测、联合健康评估，甚至心脏衰竭预测。
　　开发人员如何构建能够进行这些测量的系统仍然是一个巨大的挑战。很少有开发团队拥有专门的技术知识来创建能够可靠安全地提取数据所需的专用匹配信号链。即使对于更有经验的生物工程师来说，创建自定义数据采集系统的时间也要尽可能地延迟交付更复杂的健康和健康监测产品所需的应用程序。
　　开发人员可以发现，即使是看似简单的技术，如光学体积描记法和脉搏血氧仪，也会带来意想不到的挑战。理论上，一个简单的心率监测仪只需要一个光源就能完成基本的光学体积描记，而脉搏血氧仪则只需要两个波长的光源就可以用于血红蛋白和脱氧血红蛋白。然而，在实际中，不同波长的光在表皮和真皮层中到达不同的深度，在血液和间质液体中对其他分子表现出不同的吸收或反射特性。因此，两种波长的光会被每一波长的穿透性影响，因为每一波长的生理现象都是用来测量的。
　　开发人员经常发现需要使用多种光源，不仅可以减轻这些影响，而且还能提供更精密的测量数据，如血压。结合这些具体的问题，对低功耗和易用性的更一般的要求，给设计人员带来了一系列复杂的挑战。MAX86140的标准设计是专门为提供一种能满足光学体积描记术和脉搏血氧仪应用的要求的。

　　光学传感解决方案
　　MAX86140是专为健身和健康应用而设计的，特别适合于小型便携式应用，如可穿戴设备。这款20英寸的晶圆封装尺寸仅为2.0 x 1.8毫米(mm)，并运行1.8伏主电源电压，3.1至5.5伏LED驱动电源电压。在其最大采样率为每秒4096个样本(sps),设备消耗大约660微安(µA),但开发人员可以降低采样率来降低功耗。例如,在25 sps,设备仅消耗约8.5µA。
　　该设备提供了多种功能，旨在降低功耗。对于要求采样率为256个sps和以下的应用程序，开发人员可以将该设备放置在其动态电源下模式中。在这种模式下，设备会在样本之间自动进入低功耗模式。不管采样率如何，开发人员还可以利用设备的光学接近功能，在设备从用户中移除时节省电力。在这里，该设备通过将采样率降低到8个sps并进入动态电源模式来响应减少的光输入水平。当光输入超过设定的阈值时，显示用户皮肤的接近程度，设备恢复正常的操作，按期望的采样率。
　　除了节能功能之外，该设备还提供了一个完整的光学传感系统，结合了精密的光学接收器和LED驱动控制子系统来实现光学测量。在接收端,MAX86140光学子系统包括光学测量所需的全部功能块(图2)。这些模块包括环境光取消(ALC),一个法模拟-数字转换器(ADC),参考电压,温度传感器与专门的ADC,和一个专有的离散时间过滤器拒绝50 Hz / 60 Hz的干扰。
　　马克西姆综合MAX86140接收机图。


　　图2:MAX86140接收器集成了一个完整的信号链，它具有专门的模块，用于在环境光和噪声源的情况下优化光学传感。
　　在它的特点中，ALC结合了一种专用的消除环境光的机制，即使在明亮的环境中也能提供精确的结果。该设备甚至可以在用户从黑暗的房间到阳光和返回的时候，在光线中出现陡峭的短暂变化。该设备的“尖桩栅栏”功能允许它替换一个单独的样本，它显示了一个非常大的偏离标准，并通过外推样本历史来创建一个值。
　　在发射机端，MAX86140集成了三个可编程LED驱动器，可以配置为驱动总共6个LED。由单独的LED驱动电源驱动，每个LED驱动通道包括一个数字-模拟转换器(DAC)和一个可以直接从MAX86140的LEDx_DRV输出引脚驱动LED的电流源。平衡所需的精度和功耗,开发者可以计划每个通道的脉冲宽度从14.8微秒(µs)117.3μs并设置特定的电流输出水平在四个不同的范围从马31到124毫安(图3)。
　　马克西姆MAX86140的图像引导当前的输出水平。


　　图3:通过将LEDx_RGE[1:0]设置为所需的全范围，并将LEDx_PA[7:0]设置为特定的当前输出，开发人员可以对每个MAX86140 LED当前输出级别进行微调。
　　为了执行一个采样序列，开发人员可以对MAX86140的集成光控制器进行编程，以同时或顺序地驱动三个LED驱动通道中的一个或多个(图4)。对于脉搏血氧测量，他们将依次驱动单独的红外和红色发光二极管来测量氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例，以确定动脉血氧饱和度。开发人员还可以配置控制器来测量每个LED驱动器序列后的环境光，以补偿干扰的环境源。
　　MAX86140的图像同时驱动独立的发光二极管。


　　图4:开发人员可以对MAX86140的集成电路进行编程，将不同的led同时(A)用于心率测量或脉冲血氧测量的顺序(B)，使用单独的环境测量来补偿干扰光源。
　　除了多个配置和控制寄存器外，该设备还提供了一个128个单词FIFO，并指向下一个要读或写的单词。在取样时，FIFO按顺序存储每个样本，使用一个包含19位数据值和5位标记的单词来标识数据的性质。如果使用了多于一个LED, FIFO数据将每个LED样本(和识别标签)存储在序列FIFO位置，用于单个采样事件。为了读取样本，开发人员只需要访问地址0x07的FIFO数据计数器就可以找到FIFO中可用的样本数量，然后在0x05访问FIFO读取指针，读取该样本的数量。这种简单的方法允许开发人员使用相应的简单软件例程快速高效地提取数据(清单1)。
　　空白device_data_read(void){
　　uint8_t sampleCnt;
　　uint8_t regVal;
　　uint8_t dataBuf(128 * 2 * 3);
　　int led1[32];
　　int led2[32];
　　ReadReg(0 x07 &sampleCnt);//128 FIFO样品，2通道，3字节/通道。
　　/ /读取FIFO
　　ReadFifo(dataBuf sampleCnt * 3);
　　int i = 0;
　　for (i = 0;我< sampleCnt;我+ +){
　　led1[我]=((dataBuf(我* 6 + 0)< < 16)|(dataBuf[我* 6 + 1]< < 8)|(dataBuf[我* 6 + 2]))& 0 x7ffff;
　　led2[我]=((dataBuf[我* 6 + 3]< < 16)|(dataBuf(我* 6 + 4)< < 8)|(dataBuf[我* 6 + 5]))& 0 x7ffff;
　　} }
　　清单1:在这个伪代码中，开发人员只需要几个操作就可以从Maxim集成的MAX86140的on-chip FIFO中读取可用的样本。
　　与典型的事件驱动系统不同，MAX86140 FIFO数据不包括显式的时间戳。相反，FIFO以指定的采样率填充，允许开发人员轻松地重新创建与示例相关联的事件时间戳。然而，需要同步设备测量和其他测量的开发人员可以对设备进行编程，以便定期在FIFO中包含时间戳。该设备本身包括专用端口(GPIO1和GPIO2)，可用于控制其他设备。然而，在一个典型的基于mcu的应用程序中，该设备需要很少的连接或额外的组件来实现光学传感(图5)。随着与主机处理器的串行连接，开发者增加了一个光电二极管，如Vishay半导体VEMD5010X01和一个或多个具有适合于特定应用的波长的led。
　　马克西姆综合MAX86140的曲线图。


　　图5:由于MAX86140集成了一个完整的光学传感解决方案，开发人员只需要几个额外的组件来实现心率和脉搏血氧仪设计。
　　帮助开发人员构建自己的MAX86140-based设计,马克西姆集成提供了MAX86140EVSYS评价工具和一个关联的Windows®程序。MAX86140EVSYS为快速开发和评估提供了一个全面的开发平台，提供了图5中所示设计的原理图和硬件实现。以及一个完全实现MAX86140-based光学传感系统,评估工具包括一个主数据采集板围绕格言集成MAX32620 32位Arm®皮层®-M4F-based单片机。
　　帮助开发人员评估的操作设备的大量的配置和操作选项,Windows程序为开发人员提供了一个简单的工具,改变选项和观察结果(图6)。确认最优操作配置之后,开发人员只需应用相同的值,以自己的代码使用MAX86140在他们自己的设计。
　　马克西姆集成Windows软件程序图像(点击放大)


　　图6:开发人员可以使用Maxim集成的Windows软件程序来测试特定的设备设置，并评估这些设置对设备性能和光学测量结果的影响。

　　详细的健康数据
　　虽然MAX86140可以提供丰富的数据，但它的光学传感特性，开发人员需要转向生物电位和生物阻抗的方法来提供ECG，呼吸数据，和前面提到的其他参数。过去，在健康和健身应用领域，开发人员面临着一系列与电子信号采集相关的挑战。低电压的生物信号和与生理过程有关的阻抗的细微变化相结合，要求建立能够提取有用数据的信号链的高度专业知识。MAX30001集成电路提供了一个很大程度上的下降解决方案，满足了与这些测量方法相关联的各种需求。
　　等生物电势测量心电图,MAX30001提供了一个专用通道,提供了一个优化的信号链可靠信号采集,处理,和转换(图7)。结合一个单独的工作速度通道检测起搏器活动,心电图通道可以提供完整的心电波形,R-to-R心率数据和起搏器事件检测。
　　马克西姆综合MAX30001图


　　图7:MAX30001集成了一个专用通道，用于测量用于生成典型心电图中显示的波形的生物电位信号。

　　虽然ECG信号链本身是复杂的，但开发人员需要确保与人类用户的安全可靠的连接。MAX30001通过一个实现重要特性的多阶段输入子系统(如导入和启动检查、极性设置、偏置和ESD保护)专门解决关键的操作问题(图8)。
　　专用线路图提供了关键的保护、检测和校准功能


　　图8:在生物电位通道的输入端，一组专用电路提供了关键的保护、检测和校准特性，以保证安全可靠的操作。
　　在这里，输入开关等集成特性将用户与内部信号路径隔离开来，保护用户和敏感的内部电路，使其免受可能出现的瞬态信号的影响，例如，在放置一个胸带时，包含了用于生物信号采集的外部电极。此外，输入系统提供校准电压作为设备的广泛的自测试特性的一部分。
　　与信号采集、条件反射和转换的类似要求一样，生物阻抗测量要求能够产生用于检测生物阻抗变化所需的小电流。MAX30001满足这些需求与一个单独的专用bioimpedance通道相结合具有电流发生器的输入信号链(图9)。内置可编程电流发生器产生一个方波电流应用于用户的身体通过针DRVP DRVN和用于通过针bioimpedance毕普和本。
　　马克西姆集成MAX30001生物阻抗通道图


　　图9:在其专用的输入阶段和信号链上，MAX30001生物阻抗通道集成了一个可编程的电流发生器，用来测量生物阻抗的变化。
　　在输入端，开发人员只需要添加一些被动组件，就可以将设备连接到两个或四个物理电极上，用于生物电位和生物阻抗测量(图10)。开发人员可以通过使用像马克西姆集成的MAX30034这样的设备来进一步减少零件的数量，这是可选的(但推荐的)去纤颤保护。
　　马克西姆集成MAX30001四极输入配置图像。


　　图10:开发人员可以很容易地实现四种电极输入配置，可以使用Maxim集成的MAX30001来支持同时的生物电位和生物阻抗测量。
　　专门吸收生成重复的高能脉冲期间去颤,MAX30034迅速夹其终端电压,从超过1010Ω迅速下降到小于1Ω当积极或消极的电压超过其触发电压水平。
　　MAX30001在一个圆形的FIFO缓冲区中存储的样本与MAX86140相同。顺序样本被放置在序列FIFO位置，消除了单独时间戳数据的需要，同时允许开发人员重构时间基础。MAX30001确实提供了分离的FIFOs用于生物质体和生物阻抗的样品，并且提供一个单一的输出寄存器的R-to-R心率数据。与MAX86140一样，MAX30001用数据值和关联标记填充每个FIFO位置，它提供关于每个示例的状态信息。
　　基于MAX30001的监控系统的实现，除了图10所示的输入保护网络之外，几乎不需要额外的组件。马克西姆集成演示了一个设备的基本配置MAX30001EVSYS评价体系,其中包括MAX30001评估板和MAX32630FTHR板围绕一个格言集成MAX32630手臂®皮层®-M4F-based单片机。
　　通过提供生物电位、生物阻抗和速度检测所需的所有电路，MAX30001基本上消除了与详细的硬件设计相关的挑战。另一方面，开发人员可以发现自己花费时间试图找到设备的大量配置和操作选项的最佳设置组合。
　　与MAX86140一样，Maxim集成为开发人员提供了一个Windows程序，它提供了一种直观的基于图形的配置方法。使用单独的选项卡，开发人员可以检查每个通道单个组件的有效选项，应用一组所需的值，然后立即查看显示使用这些设置生成的结果的图(图11)。在确定了应用程序的最优设置之后，开发人员可以简单地将这些设置值应用于他们自己的应用程序中的MAX30001的初始化和操作。
　　马克西姆集成MAX30001评价软件图像。


　　图11:Maxim集成的MAX30001评估软件允许开发人员选择一个与特定设备通道对应的选项卡，为该通道的不同阶段设置操作参数，并在单独的选项卡中查看结果。

　　结论
　　在创造下一代健康产品的过程中，开发人员面临着各种各样的挑战，他们需要进行一系列的测量，以满足对详细的、临床级的生理数据的需求。如图所示，MAX86140和MAX30001从马克西姆集成提供了接近于下降的解决方案，能够使用被广泛接受的光学传感技术、生物电位和生物阻抗方法来执行这些测量。
　　使用这些设备及其相关的评估工具，开发人员可以快速设计和实现能够提供临床级健康信息的复杂产品。