行動電話的普及使我們能夠随時随地撥打電話。又經過20年的創新後，語音通話已不再是手機這款智能裝置的主要功能，它不僅可以拍攝美麗的照片、播放音頻和視訊流檔案，而且還提供各種各樣的服務：現在還逐漸成為我們的私人教練。
配備傳感器或者連接配接到穿戴式傳感器後，這些裝置可用來監控日常活動和個人健康狀況。在不斷增強的健康意識推動下，人們開始關注測量生命體征參數：如心率、體溫、血氧飽和度、血壓、活動水準(運動量)和脂肪燃燒量、以及追蹤這些參數的日常變化趨勢。
現在，裝有多個傳感器的通用傳感器前端可監控這些參數。最大的挑戰是最大程度地縮小尺寸并延長電池使用壽命。本文讨論面向迅猛增長的可穿戴電子産品市場的解決方案。
1、最重要的生命體征信号
沒了心跳，我們就會有大麻煩，是以，脈搏或心率至今仍是我們需監控的最重要的參數。除了每分鐘心跳次數以外，我們還想檢查心髒行為與活動量的關系。心律也非常重要，因為快速變化的心率是心髒疾病的征兆。
心率和心髒活動監護通常是使用心電圖(ECG)測量生理電信号來實作。連接配接到身體上的電極可測量心髒組織中心電的信号的活動。專業的診斷系統便是基于此原理，測量時胸部和四肢最多可連接配接10個電極。ECG可提供一次心跳不同分量(P波、QRS波和T波)的相關詳細資訊。
單導聯ECG在體育界的應用越來越普遍，其使用雙電極胸帶來測量心髒活動。雖然可檢測到各種ECG波形，但大多數系統隻測量心率。這些胸帶穿戴起來并不舒服，是以，體育和保健行業正在尋找替代方案，例如将電極內建到運動衫上。
AD8232單導聯心率監護儀前端(如圖1所示)就是專為此類低功耗可穿戴應用而開發的。該器件内置增益為100 V/V的儀表放大器和一個高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位産生的失調電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動産生的高頻分量(EMG信号)。此低功耗前端功耗為170 μA，可與16位片上計量儀ADuCM350配合使用，進行高性能、單導聯ECG測量。
2、測量心率的新方法
心率測量的新趨勢是光電容積圖(PPG)，這是一種無需測量生物電信号就能獲得心髒功能資訊的光學技術。PPG主要用于測量血氧飽和度(SpO2)，但也可不進行生物電信号測量就提供心髒功能資訊。借助PPG技術，心率監護儀可內建到手表或護腕等可穿戴裝置上。由于生理電勢法的信号電平極其微弱，是以無法做到這一點。
在光學系統中，光從皮膚表面投射出來。再由光電傳感器測量紅細胞吸收的光量。随着心髒跳動，不斷變化的血容量使接收到的光量分散開來。在手指或耳垂上進行測量時，由于這些部位有相當多的動脈血，使用紅光或紅外光源可獲得最佳精度。不過，手腕表層很少有動脈存在，腕部穿戴式裝置必須通過皮膚表層下面的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量，是以綠光效果會更好。
ADPD142光學子產品(如圖2所示)具備完整的光度測量前端，并內建光電傳感器、電流源和LED。該器件專為測量反射光而設計，可用來實作PPG測量。所有元件都封裝在一個小小的子產品上。
3、使用光學VSM所面臨的挑戰
利用腕部穿戴式裝置測量PPG面臨的主要挑戰來自環境光和運動産生的幹擾。陽光産生的直流誤差相對而言比較容易消除，但日光燈和節能燈發出的光線都帶有可引起交流誤差的頻率分量。模拟前端使用兩種結構來抑制DC至100 kHz的幹擾信号。模拟信号經過調理後，14位逐次逼近型數模轉換器(ADC)将信号數字化，再通過I2C接口發送到微處理器進行最終後處理。
同步發送路徑與光接收器并行內建在一起。其獨立的電流源可驅動兩個單獨的LED，電流電平最多可程式設計至250 mA。LED電流是脈沖電流，脈沖長度在微秒級，是以可保持較低的平均功耗，進而最大程度地延長電池使用壽命。
LED驅動電路是動态電路且可即時配置，是以不受各種環境條件影響，例如環境光、穿戴者皮膚和頭發的色澤或傳感器和皮膚之間的汗液，這些都會降低靈敏度。激勵LED配置非常友善，可用于建構自适應系統。所有時序和同步均由模拟前端處理，是以不會增加系統處理器的任何開銷。
ADPD142提供兩種版本：ADPD142RG內建紅光LED和綠光LED，用于支援光學心率監護；ADPD142RI內建紅光LED和紅外LED，用于進行血氧飽和度(SpO2)測量。
4、運動的影響
運動也會幹擾光學系統。當光學心率監護儀用于睡眠研究時，這可能不是問題，但如果在鍛煉期間穿戴，運動腕表和護腕将很難消除運動僞像。光學傳感器(LED和光電檢測器)和皮膚之間的相對運動會降低光信号的靈敏度。此外，運動的頻率分量也可能會被視為心率測量，是以，必須測量該運動并進行補償。裝置與人體相貼越緊密，這種影響就越小，但采用機械方式消除這種影響幾乎是不可能的。
我們可使用多種方法來測量運動。其中一種是光學方法，即使用多個LED波長。共模信号表示運動，而差分信号用來檢測心率。不過，最好是使用真正的運動傳感器。該傳感器不僅可準确測量應用于可穿戴裝置的運動，而且還可用于提供其他功能，例如跟蹤活動、計算步數或者在檢測到特定g值時啟動某個應用。
ADXL362是一款微功耗、3軸MEMS(微機電系統)加速度計，非常适合在電池供電型可穿戴應用中檢測運動。内置的12位ADC可将加速度值轉換為數字信号，分辨率為1 mg。功耗随采樣速率動态變化，當輸出資料速率為100 Hz時功耗僅為1.8 μA，在400 Hz時 為3.0 μA。 這些較高的資料速率對于使用者接口來說非常有用，例如單擊/輕按兩下檢測。
對于在檢測到運動時啟動某個應用的情況，則無需進行高速采樣，是以可将資料速率降至6 Hz，此時平均功耗為300 nA。因而，對于低功耗應用和不易更換電池的植入式裝置來說，此傳感器非常有吸引力。ADXL362采用3.0 mm × 3.25 mm封裝。圖3顯示了不同電源電壓條件下電源電流與輸出資料速率之間的關系圖。
5、系統中各傳感器的連接配接
系統的核心是混合信号片上計量儀ADuCM350，它與所有這些傳感器相連，并負責運作必要的軟體，以及儲存、顯示或傳送結果。該器件內建高性能模拟前端(AFE)和16 MHz ARM® Cortex®-M3處理器核心，如圖4所示。
AFE的靈活性和微處理器豐富的功能組合使此晶片成為便攜式應用和可穿戴應用的理想選擇。可配置的AFE支援幾乎所有傳感器，其可程式設計波形發生器可使用交流或直流信号為模拟傳感器供電。高性能的接收信号鍊會對傳感器信号進行調理，并使用無丢碼16位160 kSPS ADC将這些信号數字化。其中，後者的積分非線性(INL)/差分非線性(DNL)最大值為±1-LSB。該接收信号鍊支援任何類型的輸入信号，包括電壓、電流、恒電勢、光電流和複阻抗。
AFE可在獨立模式下工作，無需Cortex-M3處理器幹預。可程式設計時序控制器控制測量引擎，測量結果通過DMA儲存到存儲器内。開始測量前，可執行校準程式，以校正發送和接收信号鍊中的失調和漂移誤差。對于複阻抗測量，如血糖、體質指數(BMI)或組織鑒别應用，内置DSP加速器可實作2048點單頻離散傅裡葉變換(DFT)，而無需M3處理器幹預。這些高性能AFE功能使ADuCM350具有其他內建解決方案無可比拟的獨特優勢。
Cortex-M3處理器支援多種通訊端口，包括I2S、USB、MIPI和LCD顯示驅動器(靜态)。此外，它還包括閃存、SRAM和EEPROM，并且支援五種不同的電源模式，可最大程度地延長電池使用壽命。
ADuCM350設計用于超低功耗傳感器，性能限制為低速器件。對于要求更高處理能力的應用，可使用工作頻率高達80 MHz的M3核心或者Cortex-M4處理器核心。
6、功耗如何？
功耗一直是便攜式裝置和可穿戴裝置中的一個關鍵因素。本文介紹的裝置在設計上要求性能高、尺寸小且功耗低，但在非常小的封裝内內建所有一切器件(包括電池)仍然是一個挑戰。盡管新的電池技術實作了每mm3更高的容量，但與電子産品相比，電池仍然體積較大。
能量采集可減小電池尺寸并延長電池使用壽命。能量收集技術有多種，包括熱電、壓電、電磁和光電等技術。對于可穿戴裝置，利用光和熱最為合适。 傳感器通常不會産生大量輸出功率，是以每焦耳熱量都應當可以被捕獲和使用。ADP5090超低功耗升壓調節器(如圖5所示)橋接收集器和電池。
此高效開關模式電源可将輸入電壓從低至100 mV升高到3 V。冷啟動期間，在電池完全放電的情況下，最小輸入電壓為380 mV，但在正常工作時，如果電池電量沒有完全耗盡或者還有一些電能留在超級電容内，任何低至100 mV的輸入信号都可轉換為較高的電位并儲存下來，以供稍後使用。該晶片采用微型3 mm × 3 mm封裝，并可進行程式設計來支援各種不同的能量收集傳感器。最大靜态電流為250 nA，支援幾乎所有電池技術，從锂離子電池到薄膜電池以及超級電容均可。內建式保護電路可確定其安全運作。