Maxim可穿戴式医疗保健监视设备设计方案

半导体技术的进步让重量轻、尺寸小的可穿戴超低功耗电池供电嵌入式系统成为可能。这些系统通常具有功能强大的超低功耗微控制器，其连接一组非常复杂的传感器，同时通过到外部系统的低功耗RF链路进行通信。功能强大的超低功耗微控制器、超低功耗模拟身体信号传感器和创新型电源与电池管理电路相结合，共同推动了可穿戴医疗保健市场的发展。

可穿戴式医疗设备可以监测身体信号多年，为医师提供有用的健康诊断信息。同样的监测设备还被应用到了高性能运动应用中，帮助优化身体机能。可穿戴身体信号监控产品现在能够以更低的价格为健康和机能优化市场的用户提供同类型的信息。

对于健康感测和监测，一般在临床环境下监视的信号几乎都可以通过可穿戴产品获得。这些传统信号包括：

脉搏/心率

血氧

压力

心电图（EKG/ECG）

体温

紫外线（皮肤暴露）

图1 可穿戴医疗保健监视平台框图

可穿戴医疗保健监视平台系统构成

这个系统由高性能、复杂集成电路实现。系统中IC的功率已经得到优化，可以采用小巧的轻质可充电锂离子电池或可更换的不可充电纽扣电池提供身体信号监测功能。

虽然许多产品的主要特性是通过固件算法来实现的，但物理设计提供了一个平台来承载这些特性。一旦平台开发完成，它就可以重新用于各种不同的产品。

电源和电池管理

功率对于任何可穿戴医疗保健平台而言都是一个非常重要的方面。这类产品必须小巧，而且不是侵入性的，因此必须采用非常小而轻便的电池。电池的可用电荷与平台的功耗特性决定了产品的可用性。人们通常希望任何可穿戴产品至少可以工作一天才需要充电。采用不可充电电池的产品应该具有数月的电池寿命。

对于采用可充电电池的设备，电池管理系统必须包括1个电池充电器和1个电池电量计。电池管理系统必须允许设备边充电边工作。

由于电池是一个电压输出不断下降的电压源，因此电源系统必须能够调节电池电压。稳压器的效率必须很高，以便将电荷利用最大化，并且还必须提供设计所需数量的轨道。可充电锂电池的可用电压范围为4.2V~3.2V。大多数可穿戴产品都使用低于单节锂电池最低电荷的主电源轨，所以可穿戴设计中的主轨来自于降压稳压器。可穿戴产品中的某些功能需要的电压电平可能高于单节电池提供的。为了提供这些电压电平，电源管理功能必须至少含有1个升压稳压器。所需电源轨的数目取决于设备的功能，但是为了实现最佳效率，它需要尽量减少所需电源轨道的数目。

处理器

为该应用选择微控制器时，用电量和处理能力是最重要的决定因素。应该采用一种系统分区策略来决定哪些系统功能最好要集成到微控制器中，哪些则可以从外部处理。因为可穿戴健康设备对读取身体信号，所以任何片上数据模拟电路的功能也要考虑在内，方可确保它们能准确处理低级身体信号。

对于微控制器而言，提供2种通用低功耗策略：

一种微控制器中包含所需要的全部或大部分精密模拟电路；

另一种低成本微控制器不具备精密模拟功能。

如果选择了成本较低的微控制器，精密信号转换必须在外部信号处理链上进行，以数字方式将传感器信号输入到微控制器中。超小、高精度、低功耗模拟电路可用来支持该选项。

可穿戴应用最常用的微控制器采用针对低功耗进行了优化的ARM架构。根据器件处理要求的不同，处理器将介于16位到32位之间。处理器将整合多个功耗模式，系统软件会具有可编程关断和基于传感器的唤醒功能。

传感器和传感器接口

许多传感器可用于监测可穿戴器件内的身体信号。用于获取身体信号的传感器技术已问世多年，但直到最近才可以利用传感器提供良好的信号，而无需消耗大量功率。

传感器技术可用于测量：

血氧

心率

ECG/EKG

压力

温度

来自这些传感器的电输出非常小，在毫伏范围内。然而，许多这些常见传感器已在单个封装内整合了放大和转换电路，这样它们就可以输出更高级的模拟信号或者串行化数字信号。这些传感器的接口电路专门用于超低功耗操作。

至于心电图传感器，这些基本上都是物理皮肤接触，采集皮肤区域周围极小的电场并将信号传输到EKG信号链上。低成本可穿戴心电图仅限于2至3个接触点，并且不提供有9至11个传感器分散在身体各处并附于战略点上、成本较高的专业ECG/EKG系统的分辨率。

通信

现代可穿戴器件一般全都提供一个微型USB端口，用于海量数据传输、固件更新和电池充电。此外，许多可穿戴健康产品采用低功率无线收发器，以便在使用该设备的过程中实时发送和接收数据。无线传输允许数据传输到更大的显示屏或者远程数据采集设备上。低功耗蓝牙就是用于该目的的新兴标准。此外，NFC（近场通信）提供范围有限的无线连接，非常适合短内容传输，如配置信息和记录的数据检索。

Maxim MAX66242安全RFID标签可以验证用户身份，从而通过NFC只接受来自于已验证源的通信。

用户接口

可穿戴产品的用户界面会根据所需功能的变化而变化。低功耗设计至关重要，所以显示器尺寸要最小化。根据产品的不同，用户界面将包括1个单行LCD显示器与几个控制按钮。需要显示更多信息的产品会具有1个低功耗TFT显示器，很有可能包含触摸屏功能。

由于处理能力已变得如此便宜而又功能强大，所以许多可穿戴器件最终可能会具有语音命令接口。

主要元器件

健康测量微控制器MAX32600

MAX32600微控制器基于工作频率高达24MHz的行业标准ARM Cortex-M3 32位RISC CPU。它包含256KB闪存、32KB SRAM、1个2KB指令缓存和集成式高性能模拟外设。

MAX32600采用192焊球12mm×12mm CTBGA 120焊球7mm×7mm CTBGA和108焊球WLP封装。

除了Maxim提供免费的工具，MAX32600还支持IAR的嵌入式Workbench。IAR嵌入式Workbench在1个IDE内整合了1个编译器、1个汇编程序、1个连接器和1个调试器。它简便易用，提供了先进、高效率优化功能，与硬件、RTOS产品和中间件高度集成。面向ARM的IAR嵌入式Workbench提供几种版本，包括专门用于ARM Cortex-M内核系列的产品套装。