基于MAX32664的可穿戴光学测量解决方案

简介

在日益流行的可穿戴设备市场中，基于光电容积脉搏波(PPG)技术的光学测量解决方案的应用日趋广泛。Maxim Integrated（现为ADI公司一部分）推出了一些综合性的光学生物检测解决方案，旨在支持这些设备的健康监测功能。本文将介绍这些传感器解决方案，重点介绍Maxim的光学人体生理指标测量算法和 MAX32664 低功耗生物识别传感器中枢的性能和优势。

Maxim提供完整的光学生物检测解决方案

Complete optical biosensing development solutions.图1. 完整的光学生物检测开发解决方案

如图1所示，一个完整的可穿戴光学生物检测解决方案由四个主要部分组成：

  • 性能出色的传感器：Maxim推出了一系列光学测量传感器，适用于人耳、手腕、指尖、前额、腹部等身体测量部位。这些传感器可以测量心率(HR)、心率变异性(HRV)、血压趋势(BPT)和血氧饱和度(SpO2)等生理特征。该系列产品体积小、功耗低、信噪比高，可为测量系统提供高质量的原始数据。
  • 高性能、高精度人体生理指标测量算法：Maxim的算法团队完成了基本生理指标（HR、HRV、SpO2、BPT）的测量，并确定算法输出精度可以满足美国食品药品监督管理局(FDA)的测量标准要求。此外，Maxim算法可以输出支持先进应用的结果，例如行为和运动检测，以及睡眠监测。客户可以为特定应用选择不同的算法模块。所有算法都集成到MAX32664低功耗生物传感器中枢中，使主机微控制器单元(MCU)可以自由地执行系统中的其他任务，且消除了各种类型的算法许可负担。
  • 系统级设计模拟与验证：生理特征测量需要涵盖不同的人群，以及肤色、体毛、血量和其他可能影响测量结果的差异化的生物因素。光学测量方法在结构上容易受到环境光的干扰，其微小信号也会受到硬件设计中的其他高频信号的干扰。这些因素都会大大增加产品设计的难度。Maxim可以提供完整的设计规范和参考设计，以支持结构和硬件设计过程。客户只需简单修改参考设计即可完成定制设计，大大缩短了产品设计周期。
  • 专业临床验证指导：Maxim在产品开发过程中积累了丰富的临床验证经验，并与世界各地的权威认证机构保持着良好的合作关系。在相关权威机构执行临床验证和认证过程期间，这些宝贵经验可以为客户提供指南。

综上所述，Maxim的完整的光学生物检测开发解决方案让客户能够灵活选择产品特性，大大缩短了产品的设计周期和验证时间。他们还可以将解决方案无缝地集成到他们自己的开发平台中，帮助缩短上市时间。

传感器中枢介绍

MAX32664是Maxim人体生理指标测量解决方案的一部分，内置可穿戴设备固件和算法。 它可以无缝使能客户所需的传感器功能，包括与Maxim的光学传感器解决方案通信，并输出原始数据或算法数据。主机只需通过I2C接口读取MAX32664的输出，即可获得所需的生物特征测量结果。图2显示其系统功能框图。

System block diagram图2. 系统功能框图

MAX32664 hardware block diagram图3.MAX32664硬件功能框图

传感器中枢的硬件介绍

MAX32664是Maxim推出的一款下一代超低功耗MCU。如图3中的框图所示，MAX32664具有以下特性：

  • 出色的计算能力：超低功耗Arm® Cortex®-M4 MCU，具有浮点单元(FPU)和最高工作时钟(96MHz)。
  • 高度集成：内置256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚。
  • 外设资源：1个SPI/I2C接口，用于与传感器通信，1个I2C接口，用于与主机通信；实时时钟(RTC)和UART支持。
  • 尺寸小巧：WLP (1.6mm x 1.6mm x 0.65mm)
  • 超低功耗：工作模式下为45uW/MHz，数据保持模式下为85nW/KB。

丰富的高性能算法

Algorithm modules block diagram图4. 算法模块框图

5年多以来，Maxim算法团队一直积极投身于生理指标算法领域，开发出了丰富的基础算法和先进的应用算法。该算法团队制定了关于这一领域的长期计划，不仅要持续优化现有算法，还要开发新的应用算法。以上算法模块可以集成到MAX32664传感器中枢中，主机通过I2C接口读取算法结果，大大缩短了开发周期。此外，每个传感器中枢版本都提供参考设计，帮助大大缩短了设计时间，让您能够即刻收集数据进行评估。

如图4所示，算法模块包含：

  • 基础算法：
    • 模拟前端(AFE)管理：控制光学检测、计算信号质量、在不牺牲算法精度的情况下实现最低功耗、选择最佳的光学传感器驱动模式。
    • 行为检测和运动补偿：对休息、跑步、骑行等基本活动进行分类，并对生理指标进行运动补偿。
    • 心率检测：HR和HRV。
    • SpO2测量：适用于手腕、额头、耳朵等部位。这是衡量睡眠质量的基本指标。
  • 先进应用算法：
    • 睡眠质量与睡眠状态。
    • BPT测量：目前只支持指尖解决方案，精度可达到FDA测量标准要求。
    • 呼吸频率。
Body Location Feature Sensor Hub Sensor IC Demo
Finger Tip HR, IBI, SpO2 MAX32665A MAX30101/2 MAXREFDES220

(Same HW, Different FWs for A and D)
HR, IBI, SpO2, Blood Pressure Trending MAX32664D
Wrist HR, IBI, HRV, Sleep Monitoring, Respiration, Stress MAX32664B MAX86140/1 MAXREFDES101

(Not Recommended for PPG)
HR, IBI, HRV, Sleep Monitoring, Respiration, Stress, SpO2 MAX32664C MAX86140/1 MAXREFDES103
MAXM86146

Integrated Sensor Hub

 MAXM86146EVSYS
Ear HR, IBI, HRV, Sleep Monitoring, Respiration, Street, SpO2 MAX32664C MAXM86161 MAXM86161EVSYS

如图4所示，Maxim根据不同的测试位置，采用不同的光学测量传 感器，推出了四种不同的算法解决方案，以满足客户的需求：

  • MAX32664 A版本：该版本采用MAX30101/2光学测量模块，从指尖测量HR、HRV和SpO2。
  • MAX32664 D版本：该版本采用MAX30101/2光学测量模块，从指尖测量HR、HRV、SpO2和BPT。
  • MAX32664 B版本：该版本采用MAX86140/1光学测量AFE，可以从手腕或前额测量多种生理指标，包括HR、HRV、步数、卡路里计算、行为分类等。
  • MAX32664 C版本：该版本采用MAX86140/1光学测量AFE，可以从手腕或前额测量多种生理指标，包括HR、HRV、SpO2、步数、卡路里计算、行为分类等。

利用传感器中枢设计超低功耗应用

表1. MAX32664模式和功耗
工作模式 单电源(VDD) 双电源(VDD+Vcore)
激活 15.5664 9.64106
深度睡眠 0.00756 0.01383

  • MAX32664支持两种供电方式，如表1所示。在不同的供电方式下，MAX32664在激活模式下的功耗有很大不同。如果主机的供电方式灵活可行，建议选择双电源模式。
  • MAX32664支持两种供电方式，如表1所示。在不同的供电方式下，MAX32664在激活模式下的功耗有很大不同。如果主机的供电方式灵活可行，建议选择双电源模式。
  • MAX32664进入深度睡眠模式后，主机只需拉下睡眠唤醒引脚MFIO即可进行唤醒，非常易于实现。

表2. MAX32664的平均功耗

算法 CPU的平均计算时间，百分比(%) 平均功耗(mW)
单电源 双电源
连续心率 + 连续供氧 4.7% 0.74 0.47
连续心率 4.3% 0.68 0.43
单次心率 4.3% 0.68 0.43
行为检测 4.3% 0.68 0.43

（VDD：1.8V，VCORE：1.1V，CPU时钟：96MHZ，传感器中枢测量间隔：1 s）

算法在线升级

MAX32664具有支持I2C接口的出厂设置引导加载程序，支持在线升级算法。换句话说，生物识别传感器中枢可以在出厂后升级为新的或更优化的算法。

参考文献：

  1. MAX32664网站，Maxim Integrated MAX32664 website, Maxim Integrated
  2. MAX32664数据手册，Maxim Integrated MAX32664 data sheet, Maxim Integrated
  3. MAX30101数据手册，Maxim Integrated MAX30101 data sheet, Maxim Integrated
  4. MAX86140数据手册，Maxim Integrated MAX86140 data sheet, Maxim Integrated
  5. MAX32664用户指南 MAX32664 user guide `

参考电路

  1. MAX32664 website,
  2. MAX32664 data sheet,
  3. MAX30101 data sheet,
  4. MAX86140 data sheet,
  5. MAX32664 user guide