Maxim提供完整的光學(xué)生物測量方案

 

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，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)計仿真和設(shè)計驗證：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)計難度。Maxim在結(jié)構(gòu)設(shè)計和硬件設(shè)計上可以提供完整的設(shè)計規(guī)范和參考設(shè)計，客戶只要在參考設(shè)計上做簡單的修改，即可完成客制化設(shè)計，大大減小產(chǎn)品設(shè)計周期。

 

●   專業(yè)的醫(yī)療臨床驗證指導(dǎo)：Maxim在產(chǎn)品開發(fā)過程中積累了豐富的臨床驗證經(jīng)驗，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)驗都可以用于指導(dǎo)客戶經(jīng)行產(chǎn)品的臨床驗證和相關(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)計周期和驗證時間，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：

 

圖2. 系統(tǒng)框圖

 

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：

 

●   超強(qiáng)運算能力：超低功耗ARM M4核的MCU，帶有浮點運算單元 (FPU)，最高運行時鐘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

 

圖4. 算法模塊框圖

 

Maxim算法團(tuán)隊在生理指標(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)隊在此領(lǐng)域有著長遠(yuǎn)的計劃，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；

●   行為偵測與運動補(bǔ)償：檢測人體的運動狀態(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

 

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,  實現(xiàn)基于手腕或額頭的多項生理指標(biāo)測量，包括：心率、心率變化率、步數(shù)、卡路里計算、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,  實現(xiàn)基于手腕或額頭的多項生理指標(biāo)測量，包括：心率、心率變化率、血氧飽和度、步數(shù)、卡路里計算、行為類別檢測等。

 

Sensor Hub超功耗應(yīng)用設(shè)計

 

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)隊高效的算法設(shè)計和MAX32664強(qiáng)大的運算能力，MAX32664可以在很短的時間內(nèi)計算出算法結(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，操作方便實現(xiàn)。 

 

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

 

 

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