电子发烧友网>可穿戴设备> > 正文

                  医疗智能穿戴设备硬件方案

                  2021年06月24日 11:06 ? 次阅读

                  随着互联健康概念的兴起,医疗智能穿戴设备市场逐渐扩大,根据市场研究公司Counterpoint Research调查指出,疫情促使消费者健康意识提高,这更使得医疗智能穿戴设备受到市场青睐,增长幅度不断攀高。

                  本次我们通过技术型分销商Excelpoint世健邀请了来自专业医疗智能穿戴设备领域企业的工程师冯工跟大家分享实战案例。该公司是世健多年的客户,主要从事医学诊断产品研发、生产、销售及服务。而冯工有着深厚的学术和实战经验。

                  项目需求

                  • 可穿戴产品尺寸小,要求器件选型封装小、集成度高;
                  • 超低功耗,可充电电池供电;
                  • 有连续监测心率功能;
                  • 有连续监测血氧饱和度功能;
                  • 计步功能,能存一个月以上的数据量,掉电不丢失。

                  心率监测方案

                  心率监测可基于心电信号检测,人体心脏的周期性跳动是有生物电信号精密控制的,只要能够捕捉到心电信号,就能计算心率,但是心电检测需要获取人体多处电位,硬件实现复杂、方案成本高。有一种方案是谐振式检测方案,传感器感应动脉搏动的压力变化,从而统计出心率。但该方案的实现需要将设备放置于人体脉搏明显的部位,对于可穿戴设备佩戴方式将是一种挑战。还有一种方案是光电式检测,基本原理是血液会反射红光而吸收绿光。心脏跳动时,流经皮肤的血液会增加,吸收的绿光也会增加;心跳间隔期,血液在血管中流量减少随之吸收绿光减少。当设备使用绿色LED,配合对光敏感的光电传感器,就可以检测任意时间点流经人体皮肤各处的血液流量,通过统计数据,以每次血流量的最高点作为一次周期,这样就可以计算心率。并且可以将设备设计成手表形态,方便的戴于手腕处。

                  基于光电式的心率监测方案(也称光电容积脉搏波描记法PPG),硬件上需要有光源驱动、光电转换、模数转换数据处理等模块。一般光源驱动我们选择恒流源(需要可以微调电流和一定的频率开关);光电转换选择光电二极管然后用运放进行流压转换和信号调理;最后用A/D芯片实现模拟量的数字转换并送至MCU进行处理。硬件方案如果采用分立器件,那么芯片数量较多,并且空间受限,所以最好还是采用集成器件。ADI公司拥有多功能光电式测量前端芯片(型号:ADPD105),完全集成式AFEADC、LED 驱动器和时序内核, 提供一流的环境光抑制性能,无需光电二极管滤光器;灵活的数字接口SPII2C 可供选择;功耗低,1.8 V模拟/数字超低工作电源,待机模式仅0.3μA电流,适合电池供电的设备;灵活的采样频率范围:0.122 Hz ~3820 Hz;多达3个LED恒流源,每通道峰值电流达370mA;拥有WLCSP芯片级封装,极致的小体积适合空间受限应用。其内部功能框图如图1。

                  图1

                  血氧饱和度监测方案

                  光电容积脉搏波描记法(PPG)不仅可以用于心率检测,通过一定算法处理也可测量血氧,为无创式血氧监测提供了很好的方案。

                  原理:由于氧合血红蛋白(HbO2)和血红蛋白(Hb)这两种物质对波长600 ~ 1000nm的光具有一定的吸收特性。Hb对600 ~ 800nm之间的光吸收系数更高,HbO2对800~1000之间光的吸收系数更高。所以可以利用红光(600 ~ 800nm)和接近红外(IR)(800 ~ 1000nm)的光分别检测HbO2和Hb的PPG信号,再通过程序处理算出相应的比值,这样就得到了血氧值。

                  利用ADPD105其中两通道LED恒流源分别驱动红光LED和近红外LED,另外一通道恒流源驱动绿光LED用于心率检测,对于光接受器可以使用同一个,分时复用,分别去采集心率信号和血氧信号,在最少的器件下高效完成数据采集,综合成本最低。另外近期关注的ADI新产品ADPD410X,是ADPD系列比较新的产品,它同时拥有8路LED驱动光路和8路的数据采集通道,更高的集成度和采样精度,同时支持PPG,ECG和EDA的测量。它能作为本案的功能拓展方案。

                  计步功能方案

                  计步方案使用最多的就是三轴加速度传感器,通过算法识别行走时的三轴动态数据,即可实现计步功能。本方案是基于可穿戴设备,因此芯片的功耗、体积成为重要考虑因素。ADXL363是一款超低功耗的3个传感器组合产品,由3轴MEMS加速度计、温度传感器和用于同步转换外部信号的ADC输入端组成。整个系统输出数据速率为100 Hz时功耗低于2μA,在运动触发唤醒模式下功耗为270 nA;1.6~3.5V工作电源范围,便捷的兼容其他器件的电源;ADXL363还提供针对内部ADC的访问,可同步转换外部的模拟输入。紧凑型的LGA封装非常符合可穿戴式设备应用。其内部功能框图如图2。

                  图2

                  MCU选型

                  本方案MCU选型需要兼顾高性能和低功耗。ADI公司的ADuCM3029拥有超低功耗特性:活动模式(完全开启模式):《 30μA/MHz(典型值),休眠模式(带SRAM保留):《750nA(典型值),关断模式(可选RTC活动):《60nA(典型值);集成MPU的ARM? Cortex?-M3处理器,高性能内核处理算法游刃有余;集成ECC的256 KB嵌入式闪存,方便存储离线数据;较低的电压供电(1.74V至3.6V)可以允许使用纽扣电池;片内外设SPI、UART、IIC、TImer、DACDMA、Watchdog应有尽有,方便使用;内置32kHz振荡器和26MHz高频振荡器,也支持外部时钟源;拥有两种紧凑型WLCSP/LFCSP可供选择,适用于体积空间受限的应用。

                  另外可利用高性能的ADuCM4050作为高端升级版本的选择,它拥有更好的性能和更低功耗在休眠和关断模式下,在:活动模式(完全开启模式):《 41μA/MHz(典型值),休眠模式(带SRAM保留):《650nA(典型值),关断模式(可选RTC活动):《50nA(典型值);ARM Cortex-M4F处理器,52 MHz,并带FPU, MPU, ITM, SWD接口,兼容性更强,EEC的升级至512KB,方便存储更多的离线数据;

                  电源方案

                  可穿戴式设备需要可充电电源,一般选用锂电池,因此需要锂电池管理芯片。LTC4065L是一款用于单节锂电池的完整恒流/恒压线性充电器,由于外形尺寸小(DFN封装2mm*2mm),能够准确地调节低充电电流,因而非常适用于低容量锂电池;而且可以通过USB标准取电工作;还有强大的充电异常保护功能:自动再充电、低电池电量充电调节(涓流充电)、软器动功能(用于限值涌入电流)。

                  方案中MCU、加速度传感器、模拟前端芯片都可以工作在1.8V范围,对于锂电池的3.7V还需要LDO用于降压。由于有模拟电路,故需选择尽量低噪声的LDO。LT 3042拥有超低噪声0.8μVRMS(10 Hz~100 kHz),超高电源抑制比(最低79 dB @1MHz);超低的工作压降(350mV);输出可调(0~15V);紧凑型DFN封装(3mm*3mm)。

                  下载发烧友APP

                  打造属于您的人脉电子圈

                  关注电子发烧友微信

                  有趣有料的资讯及技术干货

                  关注发烧友课堂

                  锁定最新课程活动及技术直播

                  电子发烧友观察

                  一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
                  收藏 人收藏
                  分享:

                  评论

                  相关推荐

                  CAT-BLPS0008 MS5541-30C ...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 板装式压力传感器类型? 数字压力和高度传感器模块 板装式压力传感器种类? 绝对 电气特征 板装式压力传感器电源电压?(V) 2.2 – 3.6 尺寸 尺寸? 6.2 x 6.4?mm?[?.24 x .25?in?] 使用环境 工作温度范围?(°C) -40 – 85 工作温度范围?(°F) -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 输出接口? 3 线 SPI 耐压范围...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 0次阅读
                  CAT-BLPS0008 MS5541-30C ...

                  CAT-BLPS0009 MS5541C 板装式...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 板装式压力传感器类型? 数字压力和高度传感器模块 板装式压力传感器种类? 绝对 电气特征 板装式压力传感器电源电压?(V) 2.2 – 3.6 尺寸 尺寸? 6.2 x 6.4?mm?[?.24 x .25?in?] 使用环境 工作温度范围?(°C) -40 – 85 工作温度范围?(°F) -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 输出接口? 3 线 SPI 耐压范围...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 6次阅读
                  CAT-BLPS0009 MS5541C 板装式...

                  CAT-BLPS0034 MS5561C 板装式...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 板装式压力传感器类型? 数字压力和高度传感器模块 板装式压力传感器种类? 绝对 电气特征 板装式压力传感器电源电压?(V) 2.2 – 3.6 尺寸 尺寸? 4.75 x 4.25?mm?[?.18 x .16?in?] 使用环境 工作温度范围?(°C) -40 – 85 工作温度范围?(°F) -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 输出接口? 3 线 SPI 耐压范...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 0次阅读
                  CAT-BLPS0034 MS5561C 板装式...

                  CAT-BLPS0018 MS8607-02BA...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 板装式压力传感器类型? 数字压力和高度传感器模块 板装式压力传感器种类? 绝对 电气特征 板装式压力传感器电源电压?(V) 1.5 – 3.6 尺寸 尺寸? 5 x 3 x 1?mm?[?.19 x .11 x .04?in?] 使用环境 工作温度范围?(°C) -40 – 85 工作温度范围?(°F) -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 输出接口? I2C 或 SPI ...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 5次阅读
                  CAT-BLPS0018 MS8607-02BA...

                  CAT-PTT0015 MSP100 压力传感器

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 压力传感器类型? 工业级压力传感器 压力类型? 测量仪 结构特性 压力端口/接头? O 形环径向密封, O 形环表面密封 电气连接? 2 英尺电缆 电气特征 压力传感器电源电压?(V) 3, 5 主体特性 端口材料? 17-4PH, 316L 尺寸 尺寸? 12.7 x 24.38 x 20.32?mm?[?.5 x .96 x .8?in?] ...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 0次阅读
                  CAT-PTT0015 MSP100 压力传感器

                  CAT-PTT0017 MSP340 压力传感器

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 压力传感器类型? 工业级压力传感器 压力类型? 测量仪 结构特性 压力端口/接头? 1/4 MBSPP, 1/4 MNPT, 1/8 BSPP, 1/8 MNPT, 7/16-20 UNF 公端 Buna-N 电气连接? 2 英尺电缆, 4 英尺电缆, Packard 电气特征 压力传感器电源电压?(V) 10 – 30, 5 主体特性 端口材料? 17-4PH 尺寸 尺寸? 15.88 x 15.88 x 75.44?mm?[?...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 7次阅读
                  CAT-PTT0017 MSP340 压力传感器

                  CAT-CAPS0004 MT2A 拉绳位移传感...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 拉绳致动位移传感器产品类型? 小型测试系列 信号特征 输出信号? 分压器(电位) 主体特性 拉绳致动位移传感器外壳材料? 铝 使用环境 工作温度范围? -54 – 124?°C?[?-65 – 255?°F?] 操作/应用 分辨率?(mm) 连续模拟 行业标准 IP 等级? IP50 危险区域认...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 2次阅读
                  CAT-CAPS0004 MT2A 拉绳位移传感...

                  CAT-CAPS0005 MT2E1 拉绳位移传...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 拉绳致动位移传感器产品类型? 小型测试系列 信号特征 输出信号? 增量编码器 主体特性 拉绳致动位移传感器外壳材料? 铝 使用环境 工作温度范围? 0 – 70?°C?[?32 – 158?°F?] 操作/应用 分辨率?(mm) 12.4 ppmm, 7.4 ppmm 行业标准 IP 等级? IP50 危险区...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 4次阅读
                  CAT-CAPS0005 MT2E1 拉绳位移传...

                  CAT-CAPS0006 MT3A 拉绳位移传感...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 拉绳致动位移传感器产品类型? 小型测试系列 信号特征 输出信号? 分压器(电位) 主体特性 拉绳致动位移传感器外壳材料? 铝 使用环境 工作温度范围? -40 – 121?°C?[?-40 – 250?°F?] 操作/应用 分辨率?(mm) 连续模拟 行业标准 IP 等级? IP67 危险区域认...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 4次阅读
                  CAT-CAPS0006 MT3A 拉绳位移传感...

                  CAT-CAPS0007 MTA 拉绳位移传感器

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 拉绳致动位移传感器产品类型? 小型测试系列 信号特征 输出信号? 分压器(电位) 主体特性 拉绳致动位移传感器外壳材料? 铝 使用环境 工作温度范围? -55 – 100?°C?[?-67 – 212?°F?] 操作/应用 分辨率?(mm) 连续模拟 行业标准 IP 等级? IP50 危险区域认...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 4次阅读
                  CAT-CAPS0007 MTA 拉绳位移传感器

                  CAT-SCS0009 OPTIMUS 扫描阀

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 扫描仪和系统传感器类型? 数据采集系统 壳体特性 外壳? 实验室级 其他 媒介? 干气 欧盟吞吐率 HZ? 2000 精确度? ±0.03% FS 通道数? 2048 参考编号 TE 内部编号 CAT-SCS0009...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 4次阅读
                  CAT-SCS0009 OPTIMUS 扫描阀

                  CAT-TSI0018 P SERIES 倾角传...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 结构特性 接口? 数字, 模拟 电气特征 电源电压?(VDC) 6.5 – 24 模拟接口?(V) +/- 1.5 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装? 水平 尺寸 测量范围?(°) 最多 +/- 45 尺寸?(mm) 最多 120 倾角传感器和测斜仪精确度?(°) 最多 +/- .1 分辨率?(°) 最多 +/- .001 使用环境 测量原理? 液体...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 4次阅读
                  CAT-TSI0018 P SERIES 倾角传...

                  CAT-PTT0021 P125 压力传感器

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 压力传感器类型? 重型工业压力变送器 压力类型? 测量仪 电气特征 压力传感器电源电压?(V) 10, 10 – 26, 10 – 30, ±12 到 ±18 主体特性 端口材料? 不锈钢 尺寸 尺寸? 直径 29?mm?[?直径 1.14?in?] 使用环境 压力?(bar) 2000, 4000, 7000 压力?(psi) 30000, 60000, 100000 工作温度范围? -20 – 80...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 7次阅读
                  CAT-PTT0021 P125 压力传感器

                  CAT-PTT0023 P900 压力传感器

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 产品类型特性 压力传感器类型? 重型工业压力变送器 压力类型? 密封, 绝对, 通风 结构特性 压力端口/接头? 1/4 FBSP, 1/4 FNPT, 1/4 MBSP, 1/4 MNPT, 7/16-20 UNF 公端, M10x1 母端, M14x1.5 公端 电气连接? 中等范围 - 电缆出口 (CR), 中等范围 - 电缆出口, 中等范围 - 连接器出口 (CR), 中等范围 - 连接器出口, 高范围 - 电缆出口 (CR), 高范围 - 电缆出口, 高范围 - 连接器出口 (CR), 高范围 - 连接器出口 电气特征 压力传感器电源电压?(V) 10, 10 – 36, 11 – 18, 15 – 36, 18 – 32, ±15 主体特性 ...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 6次阅读
                  CAT-PTT0023 P900 压力传感器

                  CAT-LVDT0045 PCA-116 线性位...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 电气特征 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压?(V) 3 电气连接? 引线 信号特征 励磁频率?(kHz) 1 – 10 主体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸? 圆柱形 弹簧回弹式? 弹簧回弹式 壳体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料? 不锈钢 外壳直径? 19.05?mm?[?.75?in?] 使用环境 工作温度...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 5次阅读
                  CAT-LVDT0045 PCA-116 线性位...

                  CAT-LVDT0043 PCA-375 线性位...

                  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。? 电气特征 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压?(V) 3 电气连接? 屏蔽电缆 信号特征 励磁频率?(kHz) 2.5 – 10 主体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸? 圆柱形 弹簧回弹式? 弹簧回弹式 壳体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料? 不锈钢 外壳直径? 9.52?mm?[?.375?in?] 使用环境 工...
                  发表于 2021-07-29 21:00? 4次阅读
                  CAT-LVDT0043 PCA-375 线性位...

                  37款传感器与模块的实验

                  37款传感器与模块的提法,在网络上广泛流传,其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了...
                  发表于 2021-07-29 08:39? 0次阅读
                  37款传感器与模块的实验

                  求一种基于传感器的生命体征监测系统设计方案

                  生命体征监测已经超出医疗实践的范围,进入我们日常生活的多个领域。...
                  发表于 2021-07-29 08:07? 0次阅读
                  求一种基于传感器的生命体征监测系统设计方案

                  关于MCU介绍 精选资料分享

                  什么是MCU?MCU,中文简称单片机。即将CPU、存储器(RAM和ROM)、多种I/O接口等集成在一片芯片上,形...
                  发表于 2021-07-29 07:44? 0次阅读
                  关于MCU介绍  精选资料分享

                  MCU为什么内部不集成晶振 精选资料推荐

                  目录01、MCU为什么不集成晶振02、外围电路问题2.1、滤波电容2.2、变压器2.3、电感2.4、TVS管2.5、磁珠上一篇文章...
                  发表于 2021-07-29 07:34? 0次阅读
                  MCU为什么内部不集成晶振  精选资料推荐

                  在找传感器设计方案或者应用吗?这里这里,全都是! 精选资料分享

                  传感器(英文名称:换能器/传感器)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电...
                  发表于 2021-07-28 08:26? 0次阅读
                  在找传感器设计方案或者应用吗?这里这里,全都是! 精选资料分享

                  传感器的意义

                  传感器的意义  事实上,目前智能手机应用软件生态系统不断扩展。传感器除了能增加体现感和用户互动这些理念...
                  发表于 2021-07-27 07:26? 0次阅读
                  传感器的意义

                  如何理解SLAM用到的传感器轮式里程计IMU、雷达、相机的工作原理与使用场景?精选资料分享

                  视觉惯性里程计 综述 VIO Visual Inertial Odometry msckf ROVIO ssf msf okvis ORB-VINS VINS...
                  发表于 2021-07-27 07:21? 0次阅读
                  如何理解SLAM用到的传感器轮式里程计IMU、雷达、相机的工作原理与使用场景?精选资料分享

                  杰发(AUTOCHIPS)MCU方案详解以及选型指南 精选资料分享

                  随着进口MCU价格一路飙升、货源紧张以及国产品牌的突飞猛进的发展,许多车企、工控企业等开始瞄准了国内市场品牌,...
                  发表于 2021-07-27 06:20? 0次阅读
                  杰发(AUTOCHIPS)MCU方案详解以及选型指南  精选资料分享

                  灵动微MM32下载程序报错说明解决方案

                  程序是为实现特定目标或解决特定问题而用计算机语言编写的命令序列的集合。程序即完成某一件事或者是某一项工作所进行...
                  发表于 2021-07-23 14:18? 0次阅读
                  灵动微MM32下载程序报错说明解决方案

                  NB-IoT+MCU通用应用平台解决方案

                  带有耗电MCU的NB-IoT通用应用平台不仅可以使用Boudica150 NB-IoT模块或低功耗MCU进行相关应用开发,而...
                  发表于 2021-07-23 11:22? 101次阅读
                  NB-IoT+MCU通用应用平台解决方案
                  欧美美女的白虎