自從十年前第一臺計步器出現在市場以來，情況已有很大的改變。最初，其測量只著重于步伐數量的計算。經過十年來的研究結論是，大約每天行走1萬步即可每日達到卡路里攝入量與卡路里燃燒量之間的良好平衡。同時，更多的功能和特點陸續續地被加入可穿戴設備中，如測量心率、心率變異性、體溫和皮膚電導值等。
可穿戴設備最初原本是針對運動和健身的目的而出現，而今已逐漸轉移至更偏向醫療的領域。隨著這一趨勢轉變，我們將更加依賴于測量的準確度和電池的壽命。設備在每一次電池充電后所能持續運行的時間越長，就越容易得到消費者的接受。
本文將介紹專為穿戴式保健設備推出的新一代組件，并提供一些如何讓產品系統更可靠和省電的設計技巧與提示。
心率測量PPG
當談到有關于健康的話題時，無庸置疑地，身體最重要的器官之一就是心臟。它可以被視為人類系統的引擎，如果沒有狀況良好的心臟，我們就可能會面對嚴重的健康問題。因此，監測心臟功能是關鍵的優先要務。
有很多原因讓我們必須檢查心率以確保高于每分鐘的心跳。此外，以活動作用頻率的觀點而言，從心臟的行為中可以得到大量的額外信息。當身體需要較多的活動時，心率就會上升以便為細胞帶來更多的營養和血氧含量。但連續性的高心率并不是好事，而快速的心率變化也同樣不好，因為它可能是心臟疾病的指標，如心房顫動(atrial fibrillation) 。
除了監測心跳的頻率，還有另一項稱為心率變異(HRV)的重要參數。當我們處于放松狀態時，心臟并不會每分鐘都以固定的節拍跳動，而應該可以觀察到心率的微幅變化，其變動范圍大約在每分鐘±3次。這種變化是放松的一項指標。而當我們感到壓力或產生驚訝的反應時，體內的腎上腺素上升，心臟開始以單一的頻率跳動。因此，HRV參數是一項重要的監測指標。
取得心臟信號最常見的方法是透過生物電位測量與心電圖(ECG)；然而，要將此技術整合在可穿戴設備中并不容易。
除了生物電位，測量心率的一種新趨勢是利用光學原理。這種技術已經存在一段時間了，通常被稱為光體積變化描記圖技術(Photoplethysmography；PPG)。PPG技術主要用于測量血氧濃度(SPO2)的系統中。在量測SPO2時，通常經由人體特定部位(通常是手指或耳垂)發送出兩種波長的光線，藉此測量到氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin)量相對于血紅蛋白(hemoglobin)總量的百分比值。由于這種技術還可以測量心率，因此通常被用在穿戴式系統中，例如小型的腕戴式設備。而且，不同于生物電位測量的是，這類技術可以只使用單一測試點來測量心率。例如ADI推出的ADPD174組件，就是一款專為這類應用而設計的光學子系統(圖1)。
圖1：在單一6.5mm×2.8mm封裝中的光學子系統——ADPD174，瞄準可穿戴醫療設備而設計
反射與傳輸
大多數人都很熟悉SPO2的測量，其方式通常是藉由夾在耳垂或手指夾上的設備來進行。光線會穿透過身體的一部份，而在另一端則透過光電二極管測量接收到的信號。利用此傳送技術，我們可測量到可被接收或無法被吸收的光量。就信號性能與傳送功耗量而言，這種原理是最好的。然而，對于講求舒適性的可穿戴系統而言，傳輸測量的整合并非容易的事。因此，反射式量測相對上較普遍受到采用。在反射式光學系統中，光線被發送到組織的表面，其中一部份被紅血細胞所吸收，剩余的光則被反射回組織表面，并由一個光傳感器加以測量。在反射式系統中，接收信號相對較微弱達60dB，因此我們必須從電氣和光學的角度，更小心仔細地觀察發射和接收信號鏈。
電子和機械挑戰
在一次心跳期間，血液的流動與血量持續發生變化，因而造成接收到的反射光量發生散射現象。用于測量PPG信號的光線，其波長會受到一些因素影響而有所改變——其中第一個因素就是測量的類型。在本文中，我們將僅局限于心率及其相關變化的測量。對于這類型的測量，所需采用的波長不只取決于所要量測的身體位置，同時也須考慮到相對灌注位準(relative perfusion level)、組織的溫度以及組織的色調等。
一般來說，對于腕戴設備而言，由于動脈并不是位于手腕的上方，因此必需從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管來拾取脈動組成。在這類應用中，綠光能提供最好的接收。在我們身體上有足夠血液流動的地方，如上臂、太陽穴或耳道等，紅光或紅外線效果較佳，因為它能深層穿透組織——尤其是對于電池功率和尺寸始終是一個重要課題的可穿戴應用來說，紅光或IT LED可帶來更多的優點，因為這些光源組件需要的順向偏壓較低，而在使用鈕扣型電池的應用中，這些LED可以直接由電池電壓來驅動。
圖2：各種LED所需的順向偏壓vs.LED電流
遺憾的是，綠光LED由于需要較高的順向偏壓，因而必須采用額外的升壓轉換器，但這對于系統的整體耗電流也帶來負面的影響。圖2顯示不同色彩的LED相對于電流所需的順向電壓。如果終究還是需要使用綠光LED，ADP2503降壓/升壓轉換器能在最低至2.3V的輸入電壓時，支持較高的LED順向電壓達5.5V(max)。
當我們權衡傳感器位置與LED顏色等條件后，下一步就是要選擇最適合的光學解決方案。以模擬前端來說，包括分離式建構或完全整合的多種選擇，而光傳感器與LED也同樣有多種產品備選。為了將設計上的負擔降到最低，并縮短開發上市時間，ADI提供一款完全整合的光學子系統模塊，可供反射式光學量測使用。這款產品編號為ADPD174的模塊，內含光學測量所需的所有功能。圖3顯示此子系統模塊的功能方塊圖，此模塊的尺寸大小僅6.5mm x2.8mm，因此對于穿戴式系統而言非常具有吸引力。
此模塊是由一個大型光電二極管、兩個綠色LED以及一個IR LED所組成。內建的混合信號ASIC中包含一組模擬信號處理功能模塊、SAR類型ADC、數字信號處理功能模塊、I2C通訊接口以及三個可自由編程設定的LED電流源。
此系統驅動LED發光，并使用1.2 mm2的光電二極管測量相對應的光回波信號。為可穿戴設備測量其PPG時，最大的挑戰在于克服像環境光和運動產生的人為因素等干擾。環境光可能大幅影響測量的結果；而抑制陽光并不難，但來自日光燈和省電燈泡中包含交流(AC)成份的特殊光線，則很難加以取消。
ADPD174光模塊具有兩級的環境光抑制功能，也就是在光傳感器和輸入放大器階段之后，整合帶通濾波器及其隨后的同步解調器，從而為環境光以及從直流(DC)到100 kHz的干擾提供同類產品中最佳的抑制表現。該ADC具有14位的分辨率和高達255個脈沖值，將其相加后可獲得20位的測量結果。此外，還可藉由累加多個取樣，以實現高達27位的額外分辨率。ADPD174作業于兩個獨立的時隙之間——例如，測量兩個獨立的波長，并順序執行結果。在每個時隙期間，執行完整的信號路徑，從LED刺激開始，接著是光信號擷取與數據處理。
圖3：ADPD174光學子系統的功能方塊圖
每個電流源能以高達250mA的電流驅動互連的LED，其創新的LED脈沖控制，則可維持較低的平均功耗，并顯著地節省系統的功耗和延長電池壽命。
這種LED驅動電路的優點在于它是動態且可實時擴展。有許多因素可能影響接收光信號的信號噪聲比(SNR)，例如膚色或傳感器與皮膚之間的毛發，都可能影響接收端的靈敏度。因此，LED的激發可以非常容易地配置，以實現自適應系統。所有的時序(timing)和同步都可由模擬前端進行處理，而無需占用系統中微處理器的處理資源。在正常情況下，采用ADPD174能以約1mW級功耗執行可靠的心率監測。為了找出此工作點，首先可以調整轉阻放大器(TIA)的增益，同時設置最大LED峰值電流。在優化LED電流和TIA增益后，就可以增加LED脈沖的數量以獲得更多的信號。值得注意的是，增加LED峰值電流，將會等比例地提高SNR；而將脈沖數量增加n倍，則僅有提高根號n (√n)倍SNR的效果。
要為心率設備找出最佳設定，很大程度上也取決于使用者本身。用戶的膚色會對信號的強度以及設備的定位、溫度和血流量產生影響。為了計算功耗，可將光學前端視為兩個單獨的功耗源，分別是IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數字狀態機的消耗電流。這些功耗數值非常依賴于ADC的取樣率。LED電流ILED會隨著使用者的膚色和傳感器在身體上的位置而改變。對于較暗的膚色，以及傳感器所在位置的血流量非常少時，就會需要較多的LED電流。LED平均電流會隨著LED驅動脈沖寬度、脈沖數和ADC取樣時間而變化。平均LED電流等于LED最大電流乘上脈沖寬度和脈沖數的結果。這可被視為一個時隙，而且在每次新取樣時重復。脈沖寬度可能窄至1μs。
為了在手腕上有效進行心率測量，當使用兩個具有1μs寬度的脈沖時，需要大約125mA的LED峰值電流。對于100 Hz的取樣頻率而言，平均LED驅動需要25μA。當我們增加250μA的平均AFE電流時，光學前端的功耗為275μA（@ 3V =825μW）。
其他機械上的挑戰
前面我們已討論了在設計光學系統時，挑戰之一在于環境光干擾。但在反射式光學系統中，需要克服的另一個大挑戰是內部光污染(IPL)。在一款完美設計的系統中，來自LED的所有光都會被發送到組織中，而且只有反射光可被光傳感器偵測到并加以測量。然而在現實生活中，LED光線會被外殼的透明窗反射，并直接被送回光傳感器，而不至于穿透至組織中，即圖4中以綠色標示的光路。
圖4：內部光污染的說明
這種ILP效應會造成DC偏置，并將限制信號中的AC組成，也就是所謂的調變指數(MI)。但事實上，這一MI才是我們唯一感興趣的信號。此ILP效應可以藉由隔離透明窗的方式加以解決，然而這在量產中是非常困難且成本高昂的。ADPD174是克服這一問題的解決方案之一。它具有特殊設計的外殼以減低ILP效應，而不需要在外殼上隔離透明窗。如圖5所示，ADPD174較其前代產品受ILP效應影響程度的改善，可作為LED電流的基準。這是此組件較市場上其他分離式或整合式組件的另一個好處。
圖5：ADPD174與其前代產品受ILP影響的程度比較
系統總功耗
在光學系統中，除了光干擾因素之外，也必須消除運動的干擾。運動對于穿戴系統的整體性能具有影響，因為在運動時，機械連接或與組織的接觸狀態可能會改變，從而在光學讀值上造成誤差。因此，測量設備的運動并針對其干擾進行補償至關重要。ADI的超低功耗三軸ADxL362 MEM傳感器可完全支持這一需求。該傳感器測量所有的三個軸，并擁有一個內建的12位SAR ADC，從而使其LSB的大小為1mg，并且能夠透過數字SPI接口進行通訊。其功耗隨ADC取樣率而變化，當每軸的數據輸出率為100 Hz時，傳感器僅消耗1.8μA。此組件采用3 mm×3 mm封裝，不過，目前正在開發中的新一代產品，其PCB占位面積將只有ADxL362的四分之一。
尚未談到的系統核心！
截至目前為止，我們已經討論打造監測心率和心率變化的穿戴式保健設備時，需要各種不同的傳感器。但我們尚未觸及到系統的核心，也就是將所有的傳感器連接在一起、執行所需的算法軟件，以及儲存、可視化或傳送這些測量結果。ADI最近發布的ADuCM3027 / ADuCM3029Cortex-M3處理器，就能夠支持這些需求。它是一款超低功耗、混合信號型的微控制器，每MHz處理能力的相對功耗小于38μA。該處理器的最高頻率頻率為26MHz，并具有四種不同的功耗模式(表1)。
表1：ADuCM3027/29的功耗模式
該混合信號前端包括一個12位的SAR ADC、參考緩沖器和溫度傳感器。該組件內建128 kB或256 kB的閃存、4 kB高速緩存和64 kB SRAM，并有妥善的措施保護設備的內容不會被未經授權的用戶透過外部接口讀取。對于保護其程序代碼和算法的設備制造商來說，這可說是一項重要的價值。最后，ADuCM302x可作業于1.8V到3.6V之間的單電壓范圍，其中的核心電壓為1.2V，可經由內建的LDO或其更高效能的開關電容式降壓轉換器來產生。
為了將測量結果無線上傳到主處理器，必須耗費大量的總系統功耗。因此，對于測量結果進行預處理，將有助于減少所需傳送的數據量，進而節省更多功耗。
讓保健設備具有自學能力
從前面的討論可看出，ADI專注于開發傳感器和混合信號解決方案，并特別著重于提高性能和降低功耗。這些芯片和子系統能夠打造針對保健、運動以及健身市場的設備，使其得以只靠單顆鈕扣電池即達到很長的作業時間。打造一款能以最低功耗提供性能夠好的系統，永遠都是一大挑戰。透過自適應算法，將有助于提高整體性能，并為系統功耗找到最佳均衡點。此外，在每次使用設備時，還可以透過微幅改變其設定，讓所使用的功耗量達到最佳的SNR性能以及相關的HRM準確度。