【導讀】可穿戴設備的市場需求正在持續上升，基于光電容積圖（PPG）技術的光學測量方法在穿戴市場的應用越來越廣泛。Maxim針對可穿戴產品推出了完整的解決方案，在行業內處于領先水平。本文將介紹Maxim針對可穿戴產品推出的完整的解決方案，并重點介紹Maxim的光學人體生理指標測量算法和低功耗sensor hub MAX32664的性能和優點。
Maxim提供完整的光學生物測量方案
圖1. 完整光學測量開發方案
圖1所示，一個完整的光學測量方案在可穿戴設備上的應用，主要包含4部分：
● 性能卓越的傳感器：針對人體各項生理特征指標測量，如心率、血壓飽和度、血氧等，Maxim推出了一系列光學測量傳感器，適用于人體的耳朵、手腕、指尖、額頭、腹部等多個測量部位。此系列產品均帶有體積小，功耗低，高信噪比SNR的特點，可為測量系統提供高質量的原始數據raw data.
● 高性能高精度的人體生理指標測量算法：Maxim算法團隊完成了基本特征指標的測量（心率、血氧飽和度和血壓），算法輸出精度均可達到FDA測量標準。此外，Maxim算法還可以輸出包括行為檢測、運動信息和睡眠監測等高級應用結果。針對不同應用，客戶可選擇不同算法模塊。所有算法均可集成到Maxim超低功耗sensor hub MAX32664中。
● 系統級的設計仿真和設計驗證：生理特征測量需要涵蓋不同人群，而人與人之間的膚色、體毛、血液容量等因素都有差異，這會影響測量的結果。光學測量方法，在結構上容易受到環境光的干擾，在硬件設計上其微小的信號容易收到其它高頻信號的干擾。這些因素都會大大增加產品設計難度。Maxim在結構設計和硬件設計上可以提供完整的設計規范和參考設計，客戶只要在參考設計上做簡單的修改，即可完成客制化設計，大大減小產品設計周期。
● 專業的醫療臨床驗證指導：Maxim在產品開發過程中積累了豐富的臨床驗證經驗，和國內外的權威認證機構也保持這良好的合作關系。這些寶貴的經驗都可以用于指導客戶經行產品的臨床驗證和相關權威機構認證。
完整地解決方案，可以讓客戶靈活地選擇產品功能，大大地減少產品設計周期和驗證時間，輕松無縫地把方案基礎到客戶開發臺，把產品推向市場。
Sensor Hub概述
MAX32664是Maxim光學人體生理指標測量整體方案一部分，其內置固件和可穿戴設備算法。它實現與了Maxim的光學傳感器的通信，并執行其生理指標測量算法，向外部主機交付傳感器原始數據或算法數據，無縫地實現了客戶的需求。主控只需要通過I2C接口，讀取MAX32664的輸出結果，即可獲取所需的生物指標測量結果。如下圖2是系統框圖：
圖2. 系統框圖
圖3. MAX32664 硬件框圖
Sensor Hub硬件介紹
MAX32664是Maxim新一代超低功MCU產品，硬件框圖如圖3，它具備如下特點：
● 超強運算能力：超低功耗ARM M4核的MCU，帶有浮點運算單元 (FPU)，最高運行時鐘96MHz
● 高集成度：自帶256KB flash、96KB RAM、16KB指令緩存、14個通用I/O引腳；
● 外設資源：一個SPI/I2C 接口完成與傳感器的通信，一個I2C slave與主機進行通信；支持RTC和UART
● 超小體積：WLP(1.6mm x 1.6mm x 0.65mm)
● 超低功耗：工作模式：45uW/MHz，數據保持模式：85nW/KB
豐富的高性能算法
圖4. 算法模塊框圖
Maxim算法團隊在生理指標算法領域已經默默耕耘超過五年，開發出了豐富的基礎算法和高級應用算法。Maxim 算法團隊在此領域有著長遠的計劃，不僅持續地對現有的算法進行優化，而且新的應用算法也會不斷推出。以上算法模塊都可集成到sensor hub MAX32664中，主控通過I2C接口讀取算法結果即可，大大縮減開發周期。
如圖4，算法模塊主要包括：
基礎算法：
● AFE 管理：對光學傳感進行控制，同時對信號質量進行計算，在保證算法精度的前提上，以達到功耗最低地目的，選擇最優的光學傳感器驅動方式；
● 行為偵測與運動補償：檢測人體的運動狀態，包括休息、跑步、騎行等，同時對生理指標檢測進行運動補償；
● 心率檢測：包括心率與心率變化率；
● 血氧飽和度檢測：適用于手腕、額頭和耳朵等部位，這是測量睡眠質量的基礎指標；
高級應用算法：
● 睡眠質量和睡眠狀態；
● 血壓：目前只支持指尖方案，精度可達FDA測量標準；
● 呼吸率；
… …
基于不同測試部位的算法方案
圖5. 算法方案
如圖5所示，基于不同的測試部位，搭配不同的光學測量傳感器，Maxim推出了4種不同的算法方案，以滿足客戶根據需求：
● MAX32664 A版本：搭配光學測量模組MAX30101/2，實現基于指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)和血氧飽和度(SPO2)的測量。
● MAX32664 D版本：搭配光學測量模組MAX30101/2，實現基于指尖的心率(HR)、心率變化率(HRV)、血氧飽和度(SPO2)和血壓趨勢(BPT)的測量。
● MAX32664 B版本：搭配光學測量模擬前端(AFE) MAX86140/1, 實現基于手腕或額頭的多項生理指標測量，包括：心率、心率變化率、步數、卡路里計算、行為類別檢測等。
● MAX32664 C版本：搭配光學測量模擬前端(AFE) MAX86140/1, 實現基于手腕或額頭的多項生理指標測量，包括：心率、心率變化率、血氧飽和度、步數、卡路里計算、行為類別檢測等。
Sensor Hub超功耗應用設計
表1. MAX32664 模式與功耗
● MAX32664有兩種供電方式，如表1 所示，不同的供電方式，MAX32664 在active 模式中，功耗有較大差別。在主機供電靈活可行的基礎上，建議選擇雙供電方式。
● 得益于Maxim算法團隊高效的算法設計和MAX32664強大的運算能力，MAX32664可以在很短的時間內計算出算法結果，并自動進入超低功耗的deep sleep 模式。如表2所示，sensor hub 的平均計算時間均<5%，平均功耗都<0.8mW，最低可達0.43mW。
● MAX32664進入deep sleep 模式后，主控只需要拉低睡眠喚醒引腳MFIO即可做喚醒，操作方便實現。
表2. MAX32664 平均功耗
(VDD: 1.8V, VCORE:1.1V, CPU 時鐘: 96MHZ, Sensor Hub測量間隔：1秒/次)
算法在線升級
MAX32664在出廠前，均已經燒錄支持I2C接口的bootloader，支持在線燒錄升級功能。產品上市后，Maxim新推出或更優化的算法仍然可以得到升級。
參考文獻
1. MAX32664數據手冊
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX32664.pdf
2. MAX30101數據手冊
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30101.pdf
3. MAX86140數據手冊
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX86140.pdf
4. MAX32664用戶指南
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6806
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