MAXREFDES100

Maxim为医疗和高端健身应用构建复杂的创新解决方案。这些解决方案主要来自Maxim的多个产品线。为了帮助客户快速评估这些解决方案的功能，并用于具体设计，Maxim开发了一款集成传感器平台，称之为“hSensor”平台。借助该平台，客户可以针对多个用例更轻松便捷地评估我们的产品组合。hSensor平台还可以灵活适应我们基于开发设计或路线图推出的新型解决方案。

hSensor平台支持运动测量、准确的皮肤温度测量和各种生物电测量，包括心电图(ECG)、肌电图(EMG)和脑电图(EEG)。此外，hSensor平台还支持各种反射式光电体积描记法测量，包括880nm（红外，IR）、660nm（红色）和537nm（绿色）三种波长下的脉搏血氧饱和度和心率(HR)检测。

该平台支持在基于Windows^® 的PC和Android^®设备上运行GUI应用程序，以实现简单的数据采集和可视化。支持直接USB连接（通过USB C型连接器）和蓝牙^®低功耗(BLE)无线电，用于配置和数据采集。

支持直接闪存模式进行数据采集。还可通过USB连接实现闪存读取。

该平台的微控制器通过固件进行编程，用于管理系统、控制平台上所有器件的寄存器，并与PC GUI进行通信。如果用户要为微控制器定制固件，请参阅固件开发指南了解详细信息：mbed（参考MAX32620HSP）。

参考设计盒中包含以下物品：

• MAXREFDES100板：健康传感器板
• MAXREFDES100HDK板：MAXREFDES100#传感器板的开发板
• 电池座：如果不使用USB线缆，则用于安装CR2032型纽扣电池
• 两根心电图电缆：用户可以将这两根心电图电缆焊接到板上，以便进行心电图测量
• USB Type-C电缆：用于连接PC和MAXREFDES100#板
• Micro-USB电缆：用于连接PC和MAXREFDES100HDK#板

可以使用该平台评估以下用例：

1. 健身应用
• 胸部应用
• HR测量胸带
• 心率和心电图测量胸带
• 腕部应用
• 光学HR测量智能手表
• 耳部应用
• 光学HR测量耳机
2. 临床应用
• 临床应用
• 单导联ECG贴片，用于心律失常检测（仅限ECG和HR）
• 皮肤温度测量
• 手指应用
• 光学SpO₂测量
• 耳部应用
• 光学HR和SpO₂
• 头部应用
• 光学HR和SpO₂
• 手臂应用
• 心电图测量臂带

与所有Maxim参考设计一样，物料清单(BOM)、原理图、布局文件、Gerber文件、固件和软件均可在线获取。

系统框图

MAX32620微控制器位于hSensor平台的中心。平台上安装了以下传感器：MAX30003/MAX30004生物电势模拟前端(AFE)、MAX30205人体温度传感器、MAX30101脉搏血氧计和心率传感器、LIS2DH 3轴加速度计、LSM6DS3 3D加速度计和3D陀螺仪以及BMP280绝对气压传感器。

电源

hSensor平台可通过USB连接或CR2032型纽扣电池供电。同时提供USB连接和纽扣电池时，由于Q4处装有MOSFET/肖特基二极管，将从USB汲取电源。如果提供纽扣电池但未提供USB连接，则纽扣电池将用于为hSensor平台供电。

hSensor平台使用MAX14720 PMIC执行大部分电源管理功能。PMIC具有内部编程功能，按下SW1按钮3秒可开启器件。按下SW1 20秒可关闭PMIC。

PMIC支持上电配置，可提供1.2V、1.8V和VSYS电压。这里VSYS由SWOUT提供，而SWOUT通过PMIC引脚SWIN由电池或USB提供。上电后，微控制器对PMIC进行配置，HVOUT引脚上会出现3.3V升压电压。

虽然PMIC提供大部分电源管理功能，但还配有一些其他电源芯片。温度传感器由MAX8880 LDO供电，该LDO由HVOUT (3.3V)供电，并将电压调低至2.5V。当hSensor连接到USB时， PMIC本身由MAX8881 3.3V LDO供电。

由MAX3205提供ESD保护，它连接到除DP/DM之外的所有USB信号，DP/DM由MAX32620提供ESD保护。

模式选择信号

hSensor平台使用USB C型连接器进行调试（编程）附件信号。在某些情况下，这些信号会与USB主机发生冲突，因此需要提供电路将这些信号隔离。

隔离通过MAX4741低压模拟开关实现。这些开关由逻辑门和MAX9064单比较器的组合进行控制。

MAX9064具有0.2V的内部比较电压，其中两个用于监控USB引脚A5和B5（通常指定为CC/VCONN）。USB A5和B5引脚在HSP板上具有5.1kΩ下拉电阻，USB电缆仅在引脚A5上具有56kΩ上拉电阻，调试适配器板在引脚A5和B5上均具有56kΩ上拉电阻。

下表显示了hSensor平台如何基于USB A5和B5引脚进行自配置。

MAX32620微控制器

MAX32620是一款32位ARM^® Cortex^®-M4F（M4加浮点单元）微控制器，适合新兴的医疗和健身应用。该架构具有高效信号处理功能，以及低成本、简单易用的特性。该器件具有4种强大且灵活的电源模式。内置动态时钟门控和受固件控制的电源门控可有效降低任何应用的功耗。提供多个SPI、UART和I²C串行接口以及1-Wire^®主机和USB，可与各种外部传感器互连。四路输入、10位ADC提供可选参考。

请参阅MAX32620数据手册，了解详细信息和设计资源，包括评估套件、开发工具和用户指南。

MAX30003/MAX30004生物电势AFE

MAX30003/MAX30004是一款完整的生物电势AFE解决方案，适用于可穿戴应用。它旨在为临床和健身应用提供高性能，超低功耗有助于延长电池寿命。MAX30003/MAX30004是单通道生物电势AFE解决方案，提供ECG波形和心率检测。

生物电势通道提供ESD保护、EMI滤波、内部导联偏置、直流导联脱落检测、待机模式下的超低功耗导联接通检测以及用于内置自检的多种校准电压。软上电时序控制确保没有大瞬变电压注入电极。生物电势通道还具有高输入阻抗、低噪声、高CMRR、可编程增益、各种低通和高通滤波器选项以及高分辨率模数转换器(ADC)。生物电势通道为直流耦合，可以处理较大的电极电压失调，并具有快速恢复模式，可以从除颤和电外科等过驱条件快速恢复。

MAX30003/MAX30004接口与SPI/QSPI™/Micro-wire/DSP兼容。在hSensor平台中，MAX30003/MAX30004通过SPI总线与MAX32620微控制器通信。

MAX30003/MAX30004采用28引脚TQFN和30引脚晶圆级封装(WLP)，在0°C至+70°C商用温度范围内工作。

如果用户需要连接ECG电缆进行测量，请拆下传感器板上的R6、R21、R44和R45。将ECG电缆焊接到传感器板的ECGP和ECGN焊盘上。

详细信息请参阅MAX30003/MAX30004数据手册。

MAX30205人体温度传感器

hSensor板安装了两个MAX30205，一个位于顶部，一个位于底部。

MAX30205温度传感器用于准确测量温度，并提供过温报警/中断/关断输出。该器件使用高分辨率Σ-Δ型ADC将温度测量结果转换为数字形式。焊接到最终PCB上时，MAX30205的精度符合ASTM E1112临床测温规范要求。通过I²C兼容双线串行接口进行通信。

I²C串行接口接受标准的写入字节、读取字节、发送字节和接收字节命令，以读取温度数据并配置开漏过温关断输出的行为。

MAX30205具有3条地址选择线，总共有32个可用地址。该传感器具有2.7V至3.3V电源电压范围、低至600μA的电源电流以及锁定保护的I²C兼容接口，非常适合可穿戴健身和医疗应用。

在hSensor平台中，顶部MAX30205 (U2) I²C地址为0b1001-001x，底部MAX30205 (U12) I²C地址为0b1001-000x。

该器件采用8引脚TDFN封装，工作温度范围为0°C至+50°C。

详细信息请参阅MAX30205数据手册。

PC应用快速入门指南

如需下载最新的MAXREFDES100# PC GUI程序MAXREFDES100SWxxx.zip以及串行驱动程序MAXREFDES100SerialDriverxxxx.zip，请访问MAXREFDES100#页面。

设备要求：

• MAXREFDES100#板
• 带备用USB端口的PC
• 一根USB A型转C型电缆

程序步骤

MAXREFDES100#板已装配完成且经过测试。按照以下步骤验证电路板是否正常运行。

1. 将hSensor串行端口驱动程序MAXREFDES100SerialPortDriverxxxx.zip解压到本地文件夹。MAXREFDES100SerialPortDriverxxxx.zip到本地文件夹。
2. 将PC GUI程序MAXREFDES100SWxxx.zip解压到本地文件夹，然后运行MAXREFDES100SWxxx.exe将程序安装到PC上。
3. 运行GUI程序并忽略弹出的窗口。单击确定继续
4. 在弹出的窗口中点击取消按钮：
5. GUI程序应如下所示：
6. 使用USB A转C电缆将hSensor板连接到PC。
7. 按住hSensor板上的SW1开关3秒，然后松开。在此期间，如果PC上尚未安装Analog Devices hSensor串行驱动程序，则PC会查找hSensor的设备驱动程序。
8. 打开设备管理器窗口，hSensor会枚举为CDC设备，如以下窗口所示：
9. 右键单击CDC DEVICE然后单击更新驱动程序软件...以完成驱动程序安装。该驱动程序位于MAXREFDES100SerialPortDriverxxxx.zip解压文件夹中。
10. 驱动程序安装完成后，hSensor会枚举为串行端口，设备管理器应显示如下：
11. 返回到hSensor GUI程序，单击设备菜单，然后单击连接菜单项，GUI程序应该连接到hSensor硬件。将出现以下窗口。检查状态栏，确认是否已连接硬件。
12. I在后续操作中，单击开始菜单并选择Analog Devices Integrated文件夹，然后选择健康传感器 软件图标，即可启动GUI程序。GUI将自动连接到传感器板。如果弹出连接界面，选择正确的串口号，然后单击连接按钮，如下所示：

软件详细说明

通过GUI程序，用户能够快速配置和评估传感器的功能。它还为数据采集和可视化提供直观的图表。

通过文件菜单可退出应用程序。

通过设备菜单，可以将hSensor硬件与GUI程序连接和断开。

通过选项菜单，用户可以在GUI上显示或隐藏MAX30003/MAX30004寄存器名称、加载或保存器件寄存器设置以及启用或禁用Advanced选项卡。

通过记录菜单，用户能够以CSV文件格式记录ECG、R-R、光学和加速度计传感器数据。

帮助菜单提供程序信息。

主页选项卡

主页选项卡（图7）显示hSensor平台硬件的框图，它还提供导航到其他选项卡的快速链接。

光学选项卡

光学选项卡（图9）用于配置MAX30101光学传感器参数。它包括传感器模式配置、传感器ADC配置和LED设置。它还提供显示ADC代码和LIS2DH加速度计测量结果的图表。单击“开始监测”按钮将绘制光学和加速度测量结果。单击停止监测按钮将停止测量。。单击开始监测 按钮将绘制光学和加速度测量结果。单击“停止监测”按钮将停止测量。

温度选项卡

温度选项卡（图10）控制hSensor板顶部和底部的两个MAX30205温度传感器。.

ECG通道选项卡

ECG通道选项卡（图11）控制MAX30003/MAX30004 ECG通道和R-R设置。

ECG多路复用选项卡

ECG多路复用选项卡（图12）控制MAX30003/MAX30004输入多路复用器的设置。典型设置如下所示：

测量心电图操作方法

• 使用USB-C电缆将数据流传输至GUI时，请使用由电池供电的笔记本电脑，以消除电源噪声并避免与患者相连，因为健康传感器平台未内置隔离功能。
• 断开其他设备（例如显示器和投影仪）与笔记本电脑的连接，以减少干扰。
• 将电路板和心电图电缆远离电噪声源，并靠近放置电极贴片的患者部位。
• 较长的非屏蔽ECG电缆非常容易受噪声的影响，因此使用较短的和/或ECG双绞线，并将其靠近放置电极贴片的患者部位可减少耦合噪声。
• 接地到PCB的屏蔽ECG电缆可能会减少噪声耦合。
• 不使用ECG电缆并将PCB移近被测患者部位可提高性能。.
• 在患者的RL位置或类似位置与健康传感器平台PCB上的VCM测试点之间连接第三个电极，代表患者偏置部位并减少耦合噪声。

绘图选项卡

绘图选项卡（图13）显示MAX30003/MAX30004 ECG测量值和输入多路复用状态。

闪存日志选项卡

闪存日志选项卡（图14）允许用户进行配置，将数据记录保存到闪存。读取按钮从闪存读取当前配置的设置并将其应用于UI。擦除按钮可清除数据记录设置。通过此选项卡选择所需的记录通道和参数，写入按钮将数据日志设置保存到闪存。这也会清除闪存中存储的任何数据值。对于光学和MAX30003/MAX30004设置，请使用各选项卡的下拉选项进行选择。高级按钮显示来自UI的原始命令参数或从闪存读取的设置。通过前缀和后缀字段，用户可设定执行自定义命令。保存到文件按钮可将数据从闪存下载到一个或多个CSV文件。根据闪存上存储的数据量，写入按钮和保存到文件按钮操作可能需要很长时间才能完成。

寄存器选项卡

寄存器选项卡（图15）列出了MAX30101、MAX30205（顶部）、MAX30205（底部）、MAX30003/MAX30004、MAX14720和LIS2DH的所有寄存器。用户可以直接读取或写入寄存器。

Android应用程序快速入门指南

hSensor Android应用程序是在Android设备上运行的GUI程序。该程序采集hSensor数据，并以图形方式呈现在设备屏幕上。该程序通过蓝牙4.0低功耗无线电与hSensor硬件通信。

设备要求：

• MAXREFDES100#板
• 至少运行4.4版本的Android设备
• 支持蓝牙4.0的Android设备
• 一粒CR2032纽扣电池（可选）
• 带备用USB端口的PC（如果电池供电则为可选）
• 一根USB A型转C型电缆（如果电池供电则为可选）

程序步骤

1. 将CR2032电池插入电池座B1。
2. 如果没有电池可用，则通过USB C型连接器将hSensor平台硬件连接到PC或Mac。
3. 按下并释放板上的SW1开关。开关旁边的红色LED将闪烁。
4. 如需下载最新的MAXREFDES100# Android应用程序MAXREFDES100_Androidxxx.zip，请访问MAXREFDES100#页面。解压缩后将其安装到器件上。该应用程序需要Android 4.4或更高版本。
5. 点击MAXREFDES100图标启动hSensor Android应用程序。
6. 点击屏幕底部的扫描按钮。扫描后将列出目前宣称使用蓝牙4.0的所有器件。
7. 点击列表中的MAXREFDES100器件，将其连接到hSensor平台硬件。
8. 将显示以下屏幕。

hSensor交互

连接设备时会列出hSensor平台传感器。显示温度、加速度计和压力。MAX30003/MAX30004 ECG器件可显示心率信息。

hSensor最初不包含ECG配置参数，默认配置是ECG和R-R使能内部自校准，运行频率为4Hz，因此显示为240bpm心率。可以使用ECG通道、ECG多路复用和闪存日志选项卡上的GUI对ECG进行自定义配置，如图11、12和14所示。闪存日志选项卡下的GUI高级 按钮将显示UI中的原始命令参数，并可以进一步自定义配置。将此配置写入hSensor时，除了ECG参数外，还需要使能加速度计。使用Android应用程序时，温度传感器和压力传感器会始终显示，无需配置。通过GUI中的写入按钮，新配置将会提交到hSensor中。按下Android应用程序上的开始按钮时，将使用此配置。

使用GUI提供ECG配置后，必须将ECG导联连接到hSensor平台和患者部位，才能显示正确的读数。连接导联后，单击屏幕上的“开始”按钮。该平台开始进行ECG R-R信息采样，并在屏幕上显示测得的心率以及温度、加速度计和气压计数据。

断开连接

按屏幕顶部的断开连接按钮可断开hSensor器件的连接。

固件说明

MAXREFDES100#固件基于中断驱动设计模型。上电后，微控制器将电源管理器件和传感器配置为各自的默认设置。然后，微控制器等待来自GUI或Android应用程序的远程过程调用(RPC)指令。

以下是简化的固件流程图：

1-Wire是Analog Devices Integrated Products, Inc.的注册商标。
Android是Google Inc.的注册商标。
ARM是ARM Limited的注册商标和注册服务标志，Cortex是ARM Limited的注册商标。
Bluetooth文字标记和徽标是Bluetooth SIG, Inc.拥有的注册商标，Analog Devices已获得许可使用此类标记。
QSPI是Motorola, Inc.的商标。
Windows是Microsoft Corporation的注册商标和注册服务标志。