如何缩短便携式设备与和健身设备的设计时间

可穿戴的健康，保健和健身市场发展迅速，新产品几乎每周出现一次。低成本，低功耗微控制器和广泛的无线连接的可用性促进了便携性和个人健身监视器新市场的增长。

对于设计团队来说，开发一种新的健康或健身设备通常意味着将先前存放在床边设备中的功能压缩成易于携带的尺寸，或者甚至可以绑在手腕上。市场的速度也带来了问题：花费数月时间评估设备和开发定制硬件以验证概念可能会导致新产品迟到，甚至完全错过市场窗口。

本文将介绍在两个常见的可穿戴健康设备的示例中，确定其共享的感知，处理和通信功能。然后，它将介绍并展示如何开始使用具有这些必要特性的参考设计平台，并解决与可穿戴设备相关的许多设计问题。

便携式医疗设备的示例

哪些组件构成了这些便携式医疗和健身设计的核心？我们来看几个例子：

脉搏血氧仪：脉搏血氧仪测量动脉血中的氧饱和度，以确保有足够的氧合作用：用户包括呼吸系统疾病患者，麻醉患者，早产儿或新生儿婴儿（图1）。

图1：典型的手指式脉搏血氧仪，是许多与健康相关的可穿戴仪器之一。 （图片来源：911school.com）

脉搏血氧仪是非侵入性的。最常见的传感方法是通过手指，脚趾或耳朵传输红光和红外（IR）光来测量氧气水平，并测量两个接收波长的比率。血液中的氧合血红蛋白比红光吸收更多的红外辐射;脱氧血红蛋白比红外线吸收更多红光。

在典型设计中，手指安装的夹子包含两个LED发射器，一个用于测量吸光度的光电二极管传感器，以及一个用于传输唯一序列识别号的串行链路（图2）。

图2：典型脉搏血氧仪的方框图显示了光传输，传感，信号调节，控制，通信和显示阶段。 （图像来源：Maxim Integrated）

主单元包含一个微控制器，用于接收和处理模拟传感器信息，驱动LED，通过显示器通知用户结果，并通过有线传输结果或无线链接。

夹子通过电缆连接到主机，但有些血氧计包含一个手指安装设备中的所有电子设备。

健身监视器：健身监控跟踪和记录身体活动，以帮助改善身体健康。典型设备跟踪心率，温度，时间和距离等指标。与脉搏血氧仪一样，它通常由两个不同的单元组成：传感器和接收器或显示单元（图3）。

图3：适用于健身应用的心率胸带和手表显示屏。带子（顶部）容纳传感器和MCU，并传输到手表（底部），可以进行更复杂的动作和数据转发。 （图像来源：Maxim Integrated）

传感部分包括一个带有心率和温度传感器的胸带。它在数据转换阶段之前提供心脏信号的调节。然后它将数据无线传输到接收器。接收器可以是收集信息以直接显示的手表。或者，手表可以重新传输到PC或直接传输到云端进行数据记录和进一步分析。一些体育课甚至在大屏幕上显示所有成员的统计数据，以激励和监控。

可穿戴设备架构共性

比较这些医疗设备和可穿戴设备的架构，很明显他们有许多共同点：

一个或多个专门的传感器测量生物信息。感兴趣的参数通常是模拟的;正如我们所见，许多设备测量多个项目。

模拟前端（AFE）捕获并处理传感器信息。 AFE通常包含前端信号调理电路，例如运算放大器，跨阻抗放大器（TIA）或可编程增益放大器（PGA）;前端设备的输出馈送精密模数转换器（ADC）。

低功耗微控制器控制和协调其他组件的操作。低功耗模式可让微控制器最大限度地延长电池寿命，将大部分时间用于睡眠模式，并定期唤醒以进行测量或响应输入数据。微控制器还包括安全功能，以防止未经授权访问患者或用户数据。

电源模块由稳压器，电压基准，保护电路，电池和电池管理电路组成。电压调节器可包括线性和开关拓扑。如果电池是可充电的，还有一个有线或无线充电器。

有线或无线数据端口与其他设备交换信息。根据应用的不同，通用接口包括USB，Wi-Fi（IEEE 802.11）和蓝牙低功耗（BLE）。

最后，还有一个人机界面（HMI）来显示结果并接受用户输入。 HMI通常包括显示器，开关，扬声器和可能的麦克风，以及附带的接口组件，如显示驱动器，ADC和数模转换器（DAC）。

相似之处并不以硬件结束：它们还有许多共同的软件元素。例如，数据安全性对健康和健身应用至关重要。加密和身份验证是大多数设计中的关键组件。如果产品用于医疗环境，则健康保险流通与责任法案（HIPAA）等法规可能要求设计安全性。其他常见软件元素包括BLE或USB堆栈，显示驱动程序或用户界面例程。

现成的开发平台缩短了产品上市时间

设计可穿戴的健康或健身产品可能很复杂，但设计人员可能经常处于大量上市时间压力。由于许多便携式健康和健身产品具有与上述两者相似的要求，因此组件供应商通过提供现成的开发平台来帮助缩短开发时间。这些可以构成多种健康和健身应用的基础。

Maxim Integrated的MAXREFDES100 #hSensor平台，例如，在一块印刷电路板上包含所有硬件构建模块。它还具有ARM mbed硬件开发套件（HDK）可轻松访问的硬件功能。

图4：hSensor平台可帮助设计人员快速入门一个现成的健康和健身平台。 （图像来源：Maxim Integrated）

hSensor平台包括一个hSensor板，带驱动程序的固件，一个图形用户界面（GUI）和一个调试板。

固件源代码可在Maxim的网站上找到，以便设计人员可以加载算法以使平台适应不同的用例。客户可以下载固件以优化设计，加快评估速度，并显着缩短产品上市时间。原理图，物料清单（BOM），布局文件，Gerber文件和软件也可在线获取。

hSensor平台中的组件专为便携式和可穿戴应用而设计，具有降低总体功耗的功能消费（图5）。该板尺寸为25.4 mm x 30.5 mm，小到足以容纳胸部，手臂，手腕，手指和耳部临床或健身应用。

图5：hSensor平台包括许多常见的健康和健身构建块。 （图像来源：Maxim Integrated）

传感器和AFE电路

该平台包括用于许多常见健康和健身功能的传感器。它可以测量皮肤温度和心率，并支持各种生物电位测量，如心电图，肌电图（EMG）和脑电图（EEG）。对于健身带应用，组合加速度计/陀螺仪感应运动和旋转;该平台还包括一个气压传感器。

几种专用设备支持生物功能。例如，MAX30101光学传感器集成了光学和电学功能，可以制作高灵敏度的脉搏血氧仪和心率传感器（图6）。

图6：MAX30101是一款单芯片脉搏血氧饱和度传感器，包括光学和电子元件。 （图像来源：Maxim Integrated）

MAX30101将红色，绿色和红外LED，光电二极管和AFE电路（如18位Δ-ΣADC）与环境光消除相结合。通信由行业标准I 2 C接口提供。当用户的手指不在传感器附近时，接近功能可降低功耗。

MAX30205临床级温度传感器提供0.1°C精度和16位分辨率。它经过优化，适用于具有低电压（2.7 V - 3.3 V）和低电流（600μA）操作的可穿戴设备。该部件包括一个过热报警器，并通过I 2 C端口进行通信。当焊接在生产印刷电路板上时，其精度符合ASTM E1112的临床温度测量规范。

MAX30003单通道集成生物电位AFE为ECG应用提供接口。信号链包括输入多路复用器和仪表放大器，然后是具有可选截止频率和PGA的低通滤波器。

与其他hSensor器件一样，该器件有助于延长电池寿命，在1.1 V工作时功耗低至85μW。它还包括将部件保持在深度睡眠模式的功能，直到它检测到有效的心电图导联。为了进一步降低功耗，可配置中断只能在每次心跳时唤醒微控制器。

微控制器

该控制器是一款基于32位ARM®Cortex®-M4F内核和浮点控制器的超低功耗微控制器。与其他hSensor组件一样，微控制器针对可穿戴设备进行了优化，具有四种灵活的功耗模式和固件控制的电源门控，可最大限度地降低功耗。该器件包括一个带有可选电压基准的四输入10位ADC，以及包括SPI，UART和I 2 C串行接口的通信选项，以及集成的USB 2.0收发器和1-Wire主模块。

电源模块

MAX14720构成电源管理模块的核心。该器件专为空间受限的电池供电应用而设计，集成了电源开关，线性稳压器，降压稳压器和降压 - 升压稳压器。外部按钮控制MAX14720的电源排序：三秒钟按下PMIC，然后二十秒后关闭它。

数据通信

hSensor平台包括两个有线和无线通信端口。微控制器通过可逆USB Type-C连接器提供USB 2.0，以最大限度地减小电路板尺寸。无线BLE通信由EM Microelectronics完全集成的单芯片控制器提供，使hSensor平台可以充当BLE主设备或从设备。

软件支持

软件支持包括PC和Android。 PC应用程序提供GUI，允许使用USB配置系统和读取传感器数据。 Android应用程序提供BLE功能。

开发人员可以使用ARM mbed开发环境自定义平台操作。该参考设计包括MAXREFDES100HDK＃编程适配器，可为固件更新提供无驱动的拖放编程，以及与ARM的CMSIS-DAP接口固件兼容的虚拟UART接口和调试器。

固件使用中断驱动的模型，如图7所示。上电后，微控制器将电源管理器件和传感器配置为默认设置。然后它等待来自GUI或Android应用程序的远程过程调用（RPC）。

图7：MAXREFDES100＃的固件流程图（版本10） ）基于中断驱动的模型。 （图片来源：Maxim Integrated）

结论

健康或健身市场的可穿戴产品必须满足严格的性能要求，消耗最少的功率，并适合极小的封装。该设计必须结合专用传感器，精密模拟电路，数字控制和有线或无线通信。

对于健康传感器应用，工作硬件和固件平台允许设计人员快速验证概念，或使用平台现有功能作为新设计的基础。

Maxim的MAXREFDES100＃参考设计提供了这样一个平台。它针对此应用进行了优化，采用经过设计和测试的模块，可简化设计并缩短产品上市时间。它包括带有多个健康相关传感器的hSensor平台和行业标准ARM核心微控制器，以及具有可下载源代码的强大软件生态系统。

使用这些组件，设计人员可以快速配置基础设计，专注于区分产品的功能，并将产品上市时间缩短数月。在快节奏的健康和健身可穿戴设备市场中，这可能是成功与失败之间的差异。