Maxim设计指南 | 基于MAX32664的可穿戴光学测量方案

 本期关键词 

可穿戴，手环，心率，血氧，血压，光学测量，MAX32664

作者：吴建攀/Terry Wu，Maxim Integrated高级应用工程师，负责可穿戴产品和低功耗MCU的应用与支持

可穿戴设备的市场需求正在持续上升，基于光电容积图（PPG）技术的光学测量方法在穿戴市场的应用越来越广泛。Maxim针对可穿戴产品推出了完整的解决方案，在行业内处于领先水平。本文将介绍Maxim针对可穿戴产品推出的完整的解决方案，并重点介绍Maxim的光学人体生理指标测量算法和低功耗sensor hub MAX32664的性能和优点。

图1. 完整光学测量开发方案

图1所示，一个完整的光学测量方案在可穿戴设备上的应用，主要包含4部分：

• 性能卓越的传感器：针对人体各项生理特征指标测量，如心率、血压饱和度、血氧等，Maxim推出了一系列光学测量传感器，适用于人体的耳朵、手腕、指尖、额头、腹部等多个测量部位。此系列产品均带有体积小，功耗低，高信噪比SNR的特点，可为测量系统提供高质量的原始数据raw data.

• 高性能高精度的人体生理指标测量算法：Maxim算法团队完成了基本特征指标的测量（心率、血氧饱和度和血压），算法输出精度均可达到FDA测量标准。此外，Maxim算法还可以输出包括行为检测、运动信息和睡眠监测等高级应用结果。针对不同应用，客户可选择不同算法模块。所有算法均可集成到Maxim超低功耗sensor hub MAX32664中。

• 系统级的设计仿真和设计验证：生理特征测量需要涵盖不同人群，而人与人之间的肤色、体毛、血液容量等因素都有差异，这会影响测量的结果。光学测量方法，在结构上容易受到环境光的干扰，在硬件设计上其微小的信号容易收到其它高频信号的干扰。这些因素都会大大增加产品设计难度。Maxim在结构设计和硬件设计上可以提供完整的设计规范和参考设计，客户只要在参考设计上做简单的修改，即可完成客制化设计，大大减小产品设计周期。

• 专业的医疗临床验证指导：Maxim在产品开发过程中积累了丰富的临床验证经验，和国内外的权威认证机构也保持这良好的合作关系。这些宝贵的经验都可以用于指导客户经行产品的临床验证和相关权威机构认证。

  
  

完整地解决方案，可以让客户灵活地选择产品功能，大大地减少产品设计周期和验证时间，轻松无缝地把方案基础到客户开发台，把产品推向市场。

MAX32664是Maxim光学人体生理指标测量整体方案一部分，其内置固件和可穿戴设备算法。它实现与了Maxim的光学传感器的通信，并执行其生理指标测量算法，向外部主机交付传感器原始数据或算法数据，无缝地实现了客户的需求。主控只需要通过I²C接口，读取MAX32664的输出结果，即可获取所需的生物指标测量结果。如下图2是系统框图：

图2. 系统框图

图3. MAX32664 硬件框图

MAX32664是Maxim新一代超低功MCU产品，硬件框图如图3，它具备如下特点：

• 超强运算能力：超低功耗ARM M4核的MCU，带有浮点运算单元 (FPU)，最高运行时钟96MHz

• 高集成度：自带256KB flash、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚；

• 外设资源：一个SPI/I²C 接口完成与传感器的通信，一个I²C slave与主机进行通信；支持RTC和UART

• 超小体积：WLP(1.6mm x 1.6mm x 0.65mm)

• 超低功耗：工作模式：45uW/MHz，数据保持模式：85nW/KB

图4. 算法模块框图

Maxim算法团队在生理指标算法领域已经默默耕耘超过五年，开发出了丰富的基础算法和高级应用算法。Maxim 算法团队在此领域有着长远的计划，不仅持续地对现有的算法进行优化，而且新的应用算法也会不断推出。以上算法模块都可集成到sensor hub MAX32664中，主控通过I²C接口读取算法结果即可，大大缩减开发周期。

如图4，算法模块主要包括：

基础算法：

• AFE 管理：对光学传感进行控制，同时对信号质量进行计算，在保证算法精度的前提上，以达到功耗最低地目的，选择最优的光学传感器驱动方式；

• 行为侦测与运动补偿：检测人体的运动状态，包括休息、跑步、骑行等，同时对生理指标检测进行运动补偿；

• 心率检测：包括心率与心率变化率；

• 血氧饱和度检测：适用于手腕、额头和耳朵等部位，这是测量睡眠质量的基础指标；

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高级应用算法：

• 睡眠质量和睡眠状态；

• 血压：目前只支持指尖方案，精度可达FDA测量标准；

• 呼吸率；

… …

图5. 算法方案

如图5所示，基于不同的测试部位，搭配不同的光学测量传感器，Maxim推出了4种不同的算法方案，以满足客户根据需求：

• MAX32664 A版本：搭配光学测量模组MAX30101/2，实现基于指尖的心率(HR)、心率变化率(HRV)和血氧饱和度(SPO2)的测量。

• MAX32664 D版本：搭配光学测量模组MAX30101/2，实现基于指尖的心率(HR)、心率变化率(HRV)、血氧饱和度(SPO2)和血压趋势(BPT)的测量。

• MAX32664 B版本：搭配光学测量模拟前端(AFE) MAX86140/1,  实现基于手腕或额头的多项生理指标测量，包括：心率、心率变化率、步数、卡路里计算、行为类别检测等。

• MAX32664 C版本：搭配光学测量模拟前端(AFE) MAX86140/1,  实现基于手腕或额头的多项生理指标测量，包括：心率、心率变化率、血氧饱和度、步数、卡路里计算、行为类别检测等。

表1. MAX32664 模式与功耗

• MAX32664有两种供电方式，如表1 所示，不同的供电方式，MAX32664 在active 模式中，功耗有较大差别。在主机供电灵活可行的基础上，建议选择双供电方式。

• 得益于Maxim算法团队高效的算法设计和MAX32664强大的运算能力，MAX32664可以在很短的时间内计算出算法结果，并自动进入超低功耗的deep sleep 模式。如表2所示，sensor hub 的平均计算时间均<5%，平均功耗都<0.8mW，最低可达0.43mW。

• MAX32664进入deep sleep 模式后，主控只需要拉低睡眠唤醒引脚MFIO即可做唤醒，操作方便实现。 

表2. MAX32664 平均功耗

(VDD: 1.8V, VCORE:1.1V, CPU 时钟: 96MHZ, Sensor Hub测量间隔：1秒/次)

MAX32664在出厂前，均已经烧录支持I²C接口的bootloader，支持在线烧录升级功能。产品上市后，Maxim新推出或更优化的算法仍然可以得到升级。

1. MAX32664数据手册

   https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX32664.pdf

2. MAX30101数据手册

   https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30101.pdf

3. MAX86140数据手册

   https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX86140.pdf

4. MAX32664用户指南

   https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6806