健康可穿戴裝置中主要類比設計考量因素─連線能力

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健康可穿戴裝置中主要類比設計考量因素─連線能力

2020年2月2日 | 提供自 Avnet

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超低功耗類比人體感測器，數位微控制器和創新電源與電池管理電路的開發正在推動可穿戴健康保健產品的成長。應用已從活動追蹤延伸到連續監控血氧濃度、血糖濃度、體溫等。現在，可穿戴產品可以收集傳統在臨床環境中監控的幾乎所有人體訊號，接近相同的精度程度且價格更低。

因此，這毫不奇怪：依據市場研究公司 IHS 的預測，到 2019 年，全球可穿戴產品的出貨量預計將超過2 億個，在過去六年的時間成長兩倍。

儘管如此，在可穿戴裝置徹底融入更多人的日常生活之前，仍須解決與可靠度與精度相關的諸多問題。這些裝置必須高度可靠，因為讀數可能用於生活方式調整或作為疾病的預警訊號。為此，生物感測器必須設計成能克服由於惡劣環境、汗水、運動和環境光源等因素引起的測量挑戰。

優異的連線能力

任何可穿戴裝置的關鍵需求是連線能力。完美的無線連接已成為當今可穿戴裝置的標準配備；無線傳輸允許將資料傳輸到更大的螢幕或遠端資料收集設施，低功耗藍牙 (BLE) 是以此為目的而新出現的標準。此外，近場通訊 (NFC) 提供距離有限的無線連接，非常適合如組態資訊和記錄資料檢索的短內容傳輸。

例如，在開發新型健身帶之類的產品時，工程師需要考量其需要的資料傳輸量、傳輸頻率和傳輸範圍。若需要傳輸的資料量達到兆字節，則設計者可能會考慮使用傳統藍牙技術或 Wi-Fi。

範圍是另一個決定性因素。在視線範圍內，BLE 通常通信距離在 30 公尺以上；此外，使用案例因素也產生影響，例如裝置是否能與智慧型手機連結，以將資料轉發到雲端進行分析。

能夠承受考驗

許多可穿戴系統設計用於在運動和其他嚴峻的活動中佩戴。堅固耐用是相對的，例如對救生裝置的要求和對騎自行車騎士所佩戴的活動監控器要求各有不同。

現實生活條件下的可靠度代表適應環境時，電子裝置通常無法發揮作用的環境。這些元件包括用於多參數監控的低功耗類比前端 (AFE) 解決方案以及例如運算放大器、電流感測放大器、濾波器、資料轉換器等的嵌入式類比部件，這些都需要將現實生活的訊號連接到數位系統。

特別的是，來自人體感測器的電輸出具有毫伏和微伏範圍極低的強度。這樣一來，許多用於可穿戴健康應用的感測器在單個晶片或封裝中與放大和轉換電路結合，以輸出更高層級的類比訊號或序列化數位訊號。

範例：處理閃爍問題

光體積變化描記圖 (PPG) 是一種簡單且經濟的光學測量方法，通常用於監測心率和脈搏血氧濃度（用於測量血液中氧氣濃度的測試）讀數。PPG 是一種非侵入式技術，在皮膚表面使用光源和光感測器測量血液循環的體積變化。

遺憾的是，使用光感測器時可能會接收環境光源。因為室內照明通常會有閃爍問題而可能干擾 PPG 訊號，這可能特別棘手；依據它們位於地球的位置，室內照明可能會以 50Hz 或 60Hz 的基本頻率閃爍，該速率接近 PPG 訊號的採樣頻率，如果不進行改正，環境閃爍問題可能使每個樣本產生不同的偏壓偏移。

Figure 1: The primary mission of a wearable PPG circuit is to maximize the signal-to-noise ratio (SNR) while conserving expended power. (Source: Maxim ) Figure 2: Simplified block diagram of the Maxim MAX 30112. (Source: Maxim)

為應對這些影響，進階的 PPG IC 現在具有智慧型訊號路徑，演算法也變得更加複雜。因此，設計者現在能夠以各種形式使用 PPG，包括耳機、戒指、項鍊、頭和手臂帶、手環、手錶和智慧型手機。

無論哪種外觀尺寸，可穿戴感測器都必須能夠可靠地運行，同時克服常見雜訊和誤差源的影響；PPG 感測器的環境雜訊通常分為兩大類：光學雜訊和生理雜訊。

光學雜訊是指感測器監測到的光學路徑變化特性，該特性與所觀察到的血液量與光吸收無關；同理，生理變化可能會改變組織中的血流和體積，這會改變 PPG 訊號。

Maxim MAX30112 手腕型應用心率偵測解決方案具有專為減弱任何 50Hz/60Hz 閃爍元件而設計的先進相關採樣技術，可以緩減閃爍對 PPG 訊號的破壞作用；它以 1.8V 主電源電壓運行，並具備獨立的 3.1V 至 5.25V LED 驅動電源，此裝置支援標準的 I2C 相容介面，和透過其軟體提供接近零待機電流的關機模式，使電源軌能始終保持供電。