将心电图添加到可穿戴设备的跟简单快速的方法

就在您即将将最新的胸戴式产品带入健康和健身可穿戴设备市场时，您意识到客户越来越多地寻求心电图 （ECG） 功能。这会让你倒退几个月，而你回去尝试设计这个功能，对吧？错误的！真的吗？你问自己，这怎么可能？好吧，让我们看看你真正需要什么来实现这一点，你可能会惊讶于它可以以比你想象的更直接的方式开发。

第 1 步：模拟前端

检测 ECG 信号所需的模拟前端 （AFE） 需要几个不同的构建模块。其中包括（除其他外）带有低通滤波器的输入放大器、可编程增益放大器 （PGA） 和带有数字滤波选项的高精度模数转换器 （ADC）。显然，在可穿戴设备的有限空间中，AFE 的离散实现是不可行的。因此，需要一种综合方法。在为胸戴式可穿戴设备选择集成生物电位 ECG AFE 时，需要注意一些重要的规格和功能。理想情况下，它应该使用具有非常高的串联电阻 （》 500MΩ） 和高 CMRR （》 100dB） 的单个输入通道。除了符合静电放电 （ESD） 标准 （IEC61000-4-2） 和电磁干扰 （EMI） 过滤，IC 应该能够检测导线是否已连接（即使在睡眠模式下），或者它们是否在正常操作中与佩戴者分离，同时还能够从过压条件（例如除颤）中快速恢复。必须以尽可能低的功耗提供此功能。

图 1显示了MAX30003的功能框图，这是一款完全集成的生物电势 ECG AFE，可用于满足这些要求的可穿戴设计。该设备的一个优点是它仅使用ONE 即可提供 ECG 波形一对电极（你在医院看到的心电图胡说八道！）。该 IC 的另一个重要特点是它还可以在同一封装中执行心率检测。其他 ECG AFE IC 不执行心率检测；相反，他们依靠微控制器来执行计算，这通常会消耗额外的 40µW 功率。该 AFE 的典型电流消耗仅为 150µW（比类似部件低近 70%），可使用单个纽扣电池供电。它符合 IEC60601-2-47 ECG 规范，使其适用于临床和健身应用。

图 1. MAX30003 生物电位 AFE

第 2 步：设计运动伪影 带通滤波器

运动伪影是由佩戴者的运动引起的虚假测量。您需要一个带通滤波器来去除它们（或减少它们的影响）。这最好在将电极信号转换为数字域之前在模拟域中完成。实现这一点的主要方法是使用高通和低通滤波器降低带宽。使用 MAX30003，可以通过将外部电容 CHPF 连接到 CAPP 和 CAPN 引脚来设置单极高通转角频率，如图 2所示。 使用的值应将高通拐角设置为 5Hz，尤其是对于大多数运动和健身应用等高运动用途。对于临床应用，这可以低很多，通常低至 0.5Hz 甚至 0.05Hz。当几乎没有运动时，这为诊断提供了更好质量的心电图信息。

图 2. 输入模拟带通滤波器网络

图 3显示了胸带应用的模拟带通波特图。

图 3. 胸带的模拟带通滤波器波特图

第 3 步：考虑您的电源选项

根据所使用的电池类型，有多种选项可以为完整的可穿戴设备供电。最简单的选择是使用线性稳压器（图 4）从纽扣电池创建一个通用的 1.8V 直流电压轨，该电压通常在 3.4V 到 2.2V 之间变化。然而，这种方法并不是特别省电。

图 4. 简单的线性压差稳压器电源方案

虽然使用降压稳压器而不是低压差 （LDO） 稳压器可以提高效率，但最好的解决方案是使用电源管理 IC （PMIC），如图 5所示。

图 5. PMIC 和 3VDC 纽扣电池

使用此类解决方案的优势在于，PMIC 可以为微控制器、AFE 和数字接口提供单独的电源输出。

审核编辑：郭婷