基于AMS AS7000動態(tài)心率測量智能手環(huán)原理及設(shè)計方案

前言

隨著人們健康意識的不斷提高，智能穿戴設(shè)備，尤其是智能手環(huán)，在健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。心率監(jiān)測作為其核心功能之一，對于評估用戶運動狀態(tài)、健康水平乃至預(yù)警潛在健康風(fēng)險具有重要意義。傳統(tǒng)的靜態(tài)心率測量方法已經(jīng)無法滿足用戶在日常活動和運動過程中的實時監(jiān)測需求，因此，動態(tài)心率測量成為了智能手環(huán)發(fā)展的重要趨勢。本文將深入探討基于奧地利微電子（AMS）AS7000系列傳感器的動態(tài)心率測量智能手環(huán)的原理、設(shè)計方案及其關(guān)鍵元器件的選擇與作用，旨在為高性能、高可靠性智能手環(huán)的設(shè)計提供參考。

第一章 動態(tài)心率測量原理

動態(tài)心率測量主要基于光電容積描記法（Photoplethysmography, PPG）。PPG技術(shù)通過測量皮膚表面血管內(nèi)血液容積變化引起的光學(xué)特性變化來間接反映心率。

1.1 PPG工作原理

• 光發(fā)射與接收： 智能手環(huán)通常集成一個或多個發(fā)光二極管（LED）作為光源，發(fā)射特定波長的光（如綠光），穿透皮膚組織。當(dāng)血液流經(jīng)血管時，其對光的吸收和散射會發(fā)生變化。

• 血液容積變化與光吸收： 心臟每次搏動，都會將血液泵入動脈，導(dǎo)致血管容積瞬時增大，此時，流經(jīng)該區(qū)域的血液量增多，對光的吸收也相應(yīng)增強。在心舒期，血管容積減小，對光的吸收減弱。這種周期性的光吸收變化與心跳同步。

• 光信號轉(zhuǎn)換： 光敏二極管（PD）接收從皮膚反射或透射回來的光信號。接收到的光信號強度會隨著血液容積的變化而周期性波動。

• 電信號處理： 光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號，經(jīng)過前置放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）等處理，最終得到數(shù)字化的PPG波形。

• 心率提取： 通過對PPG波形進行數(shù)字信號處理（如峰值檢測、傅里葉變換等），可以準確地提取出心率信息。

1.2 影響PPG測量的因素

• 運動偽影： 運動過程中，手環(huán)與皮膚之間的相對位移、肌肉收縮等都會引起光路變化，產(chǎn)生大量噪聲，嚴重干擾PPG信號。這是動態(tài)心率測量的最大挑戰(zhàn)。

• 環(huán)境光干擾： 外部環(huán)境光，尤其是強烈的陽光或室內(nèi)照明，可能會進入傳感器，形成背景噪聲。

• 皮膚特性： 皮膚顏色、厚度、毛發(fā)密度以及血流灌注量的個體差異都會影響PPG信號的質(zhì)量。

• 溫度： 低溫可能導(dǎo)致血管收縮，影響血流，進而影響PPG信號。

• 器件接觸： 傳感器與皮膚接觸不良或壓力不均都會導(dǎo)致信號質(zhì)量下降。

第二章 AMS AS7000系列傳感器概述

AMS AS7000系列是專為可穿戴設(shè)備設(shè)計的高度集成光學(xué)傳感器模塊，集成了LED、光電二極管（PD）、模擬前端（AFE）以及數(shù)字接口。它在動態(tài)心率測量和血氧飽和度（SpO2）測量方面表現(xiàn)出色，并能有效應(yīng)對運動偽影。

2.1 AS7000 主要特性

• 集成度高： 內(nèi)部集成了驅(qū)動LED的DC-DC轉(zhuǎn)換器、低噪聲AFE、22位ADC、數(shù)字濾波器等，大大簡化了外部電路設(shè)計。

• 高信噪比（SNR）： 優(yōu)化的AFE和數(shù)字濾波器設(shè)計，能夠有效抑制噪聲，提高PPG信號質(zhì)量。

• 運動偽影抑制： 內(nèi)置硬件和軟件算法，結(jié)合運動傳感器（如加速度計）數(shù)據(jù)，可有效補償運動引起的信號干擾。

• 多LED配置： 支持多達3個LED驅(qū)動，允許使用不同波長的LED進行多功能測量（如綠光用于心率，紅光和紅外光用于血氧）。

• 低功耗： 針對電池供電的可穿戴設(shè)備進行了功耗優(yōu)化。

• 靈活的通信接口： 提供I2C或SPI接口，方便與主控制器通信。

2.2 AS7000 在動態(tài)心率測量中的優(yōu)勢

AS7000針對動態(tài)心率測量進行了特殊優(yōu)化，其內(nèi)置的運動偽影抑制算法是其核心優(yōu)勢。該算法通常結(jié)合外部三軸加速度計的數(shù)據(jù)，通過自適應(yīng)濾波、信號分離等技術(shù)，將運動產(chǎn)生的噪聲與PPG信號有效區(qū)分開來，從而在運動狀態(tài)下也能提供穩(wěn)定準確的心率數(shù)據(jù)。此外，其高集成度也降低了整體解決方案的復(fù)雜度和成本。

第三章 智能手環(huán)系統(tǒng)整體設(shè)計方案

基于AMS AS7000的智能手環(huán)系統(tǒng)是一個多功能、低功耗的嵌入式系統(tǒng)，其設(shè)計需要綜合考慮硬件、軟件、電源管理和人機交互等多個方面。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能手環(huán)系統(tǒng)通常由以下幾個主要模塊組成：

• 核心處理單元： 微控制器（MCU）

• 心率/血氧測量模塊： AMS AS7000

• 運動傳感器模塊： 三軸加速度計/陀螺儀

• 顯示模塊： OLED/LCD屏幕

• 通信模塊： 藍牙低功耗（BLE）

• 電源管理模塊： 鋰電池充電管理、DC-DC轉(zhuǎn)換器

• 用戶輸入/反饋： 震動馬達、按鍵

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 核心處理單元（MCU）

• 優(yōu)選元器件型號：

• 選擇原因： STM32L4系列以其卓越的超低功耗性能和豐富的模擬及數(shù)字外設(shè)而聞名。雖然不自帶BLE，但可以通過外置BLE模塊配合使用。如果設(shè)計對功耗要求極致，且對集成度要求不高時，這是一個優(yōu)秀的選擇。

• 功能： 與Nordic nRF52類似，主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和系統(tǒng)控制。

• 選擇原因： 該系列MCU集成了高性能ARM Cortex-M4處理器和超低功耗藍牙5.0模塊，非常適合可穿戴設(shè)備。它具有豐富的GPIO、SPI、I2C、UART接口，可以輕松連接AS7000、加速度計、顯示屏等外設(shè)。其強大的處理能力足以運行復(fù)雜的PPG信號處理算法和應(yīng)用層邏輯。此外，Nordic提供了成熟的SDK和開發(fā)工具，縮短開發(fā)周期。

• 功能：

• 控制AS7000進行心率測量，并接收其原始數(shù)據(jù)。

• 運行AS7000的驅(qū)動程序和AMS提供的運動偽影補償算法。

• 處理來自加速度計的運動數(shù)據(jù)，并與PPG數(shù)據(jù)融合，進行更準確的運動偽影抑制。

• 管理BLE通信，與手機APP進行數(shù)據(jù)同步和指令交互。

• 驅(qū)動顯示屏顯示心率、步數(shù)、時間等信息。

• 控制震動馬達，提供提醒功能。

• 進行系統(tǒng)時鐘管理和功耗優(yōu)化。

• 存儲用戶健康數(shù)據(jù)。

• Nordic nRF52系列（如nRF52832, nRF52840）：

• STMicroelectronics STM32L4系列（如STM32L431, STM32L476）：

3.2.2 心率/血氧測量模塊

• 優(yōu)選元器件型號： AMS AS7000 或 AS7026/AS7030

• 集成光學(xué)前端：LED驅(qū)動、光電二極管。

• 模擬前端：低噪聲放大器、濾波器、增益控制。

• 高分辨率ADC：將模擬PPG信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

• 數(shù)字信號處理：初步的信號濾波、環(huán)境光抑制。

• I2C/SPI接口：與MCU進行數(shù)據(jù)通信和配置。

• 內(nèi)置運動偽影補償功能（尤其在AS7000系列中結(jié)合外置加速度計數(shù)據(jù)）。

• 提供原始PPG數(shù)據(jù)和/或經(jīng)過處理的心率值。

• 選擇原因： AS7000是本文討論的核心傳感器，其高集成度、專門針對動態(tài)心率優(yōu)化的特性以及AMS提供的成熟算法支持，是智能手環(huán)的首選。AS7026和AS7030是其后續(xù)升級產(chǎn)品，提供更高的性能和集成度，如果預(yù)算允許，優(yōu)先考慮最新型號。

• 功能：

3.2.3 運動傳感器模塊

• 優(yōu)選元器件型號：

• 選擇原因： Bosch的慣性測量單元（IMU）在可穿戴領(lǐng)域擁有極高的市場份額和良好口碑。BMI270/BMI323集成了高精度、低功耗的加速度計和陀螺儀，能夠提供準確的運動數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于AMS AS7000的運動偽影補償算法至關(guān)重要，能有效區(qū)分運動噪聲和PPG信號。

• 功能：

• 測量手環(huán)在三維空間中的加速度（用于計步、姿態(tài)檢測、運動模式識別）。

• 測量手環(huán)在三維空間中的角速度（用于更精確的姿態(tài)估計和運動偽影補償）。

• 提供運動中斷，喚醒MCU進行數(shù)據(jù)處理。

• 配合AS7000的算法，為動態(tài)心率測量提供重要的運動參考數(shù)據(jù)。

• Bosch BMI270 / BMI323（三軸加速度計+三軸陀螺儀）

3.2.4 顯示模塊

• 優(yōu)選元器件型號： 小型OLED顯示屏（如SSD1306驅(qū)動的0.96英寸OLED）

• 顯示實時心率數(shù)據(jù)。

• 顯示時間、日期、步數(shù)、卡路里消耗等健康數(shù)據(jù)。

• 顯示來電/消息通知。

• 顯示電池電量等系統(tǒng)信息。

• 選擇原因： OLED屏幕具有自發(fā)光特性，無需背光，因此功耗相對較低，且對比度高、可視角度大，響應(yīng)速度快，非常適合電池供電的小型穿戴設(shè)備。SSD1306是常用且成熟的OLED驅(qū)動芯片，接口簡單（I2C/SPI）。

• 功能：

3.2.5 通信模塊

• 優(yōu)選元器件型號： 集成于MCU內(nèi)部的BLE模塊（如Nordic nRF52系列） 或 外置BLE模塊（如TI CC2640R2F）

• 與智能手機APP進行數(shù)據(jù)同步（如心率歷史數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)）。

• 接收手機APP發(fā)送的指令（如設(shè)置鬧鐘、查找手環(huán)）。

• 實現(xiàn)來電提醒、消息通知等功能。

• 支持OTA（Over-The-Air）固件升級。

• 選擇原因： 對于可穿戴設(shè)備，藍牙低功耗（BLE）是主流的無線通信技術(shù)，因為它功耗極低，非常適合電池供電。如果選擇Nordic nRF52系列MCU，BLE模塊已集成，可以省去外置模塊。如果選擇其他不帶BLE的MCU，則需要額外的BLE模塊。TI CC2640R2F是業(yè)界領(lǐng)先的BLE 5.0解決方案，性能穩(wěn)定。

• 功能：

3.2.6 電源管理模塊

• 優(yōu)選元器件型號：

• 選擇原因： 系統(tǒng)中不同模塊可能需要不同的供電電壓（如MCU可能工作在3.3V，某些傳感器可能工作在1.8V）。LDO適用于小電流、對噪聲敏感的場合，DC-DC轉(zhuǎn)換器則效率更高，適用于需要較大電流輸出的場合，尤其在電池供電系統(tǒng)中，高效的DC-DC能顯著延長續(xù)航。

• 功能：

• 將電池電壓（通常3.7V-4.2V）穩(wěn)定降壓至MCU、AS7000等模塊所需的工作電壓。

• 提供穩(wěn)定的電源，減少電源紋波對傳感器信號的影響。

• 選擇原因： 智能手環(huán)通常使用小型鋰聚合物電池。專用的充電管理IC可以提供精確的充電電壓和電流控制，確保充電安全，延長電池壽命。它們通常集成了過充、過放、過流、短路保護功能，并支持涓流、恒流、恒壓充電模式。

• 功能：

• 安全高效地為內(nèi)置鋰電池充電。

• 提供充電狀態(tài)指示。

• 電池電壓監(jiān)測。

• 電池保護功能。

• 鋰電池充電管理IC（如TI BQ24070 / BQ24040 或 Analog Devices ADP5062）

• 低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）或DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器（如Richtek RT8096A / RT8059）

3.2.7 震動馬達

• 優(yōu)選元器件型號： 扁平空心杯震動馬達 或 線性諧振致動器（LRA）

• 來電、短信等通知提醒。

• 鬧鐘提醒。

• 久坐提醒。

• 達到運動目標（如步數(shù)）提醒。

• 選擇原因： 扁平馬達體積小巧，易于集成。LRA能提供更強的震動感和更快的響應(yīng)速度，但成本略高。

• 功能：

3.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是實現(xiàn)智能手環(huán)各項功能的關(guān)鍵，包括固件開發(fā)、算法實現(xiàn)、通信協(xié)議棧和用戶界面。

• 實時操作系統(tǒng)（RTOS）： 建議使用FreeRTOS、RT-Thread等輕量級RTOS，以高效管理任務(wù)調(diào)度、資源分配和中斷處理，確保系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性。

• 驅(qū)動程序： 為AS7000、加速度計、顯示屏等硬件模塊編寫底層驅(qū)動程序。

• PPG信號處理算法：

• 原始數(shù)據(jù)采集： 從AS7000獲取原始PPG和環(huán)境光數(shù)據(jù)。

• 預(yù)處理： 包括直流（DC）分量去除、高通濾波、低通濾波，去除基線漂移和高頻噪聲。

• 運動偽影補償： 結(jié)合加速度計數(shù)據(jù)，使用自適應(yīng)濾波（如LMS算法）、獨立成分分析（ICA）或小波變換等高級算法，分離運動偽影和PPG信號。這是動態(tài)心率測量的核心技術(shù)。

• 峰值檢測： 識別PPG波形中的波峰，計算連續(xù)波峰之間的時間間隔。

• 心率計算： 根據(jù)峰值間隔計算每分鐘心跳次數(shù)。

• 去噪與平滑： 對計算出的心率值進行進一步的濾波和平滑處理，提高其穩(wěn)定性。

• 運動數(shù)據(jù)處理： 對加速度計數(shù)據(jù)進行計步算法、卡路里消耗估算、睡眠監(jiān)測等。

• 藍牙協(xié)議棧： 實現(xiàn)BLE廣播、連接、服務(wù)和特征（GATT Profile）的定義，與手機APP進行數(shù)據(jù)交換。

• 人機交互： 驅(qū)動顯示屏顯示信息，處理按鍵輸入，控制震動馬達反饋。

• 電源管理： 實現(xiàn)低功耗模式、喚醒機制，延長電池續(xù)航。

• 存儲管理： 存儲歷史心率數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)和用戶配置。

3.4 結(jié)構(gòu)與外觀設(shè)計

• 人體工程學(xué)： 確保佩戴舒適，不易脫落，傳感器與皮膚良好接觸。

• 防水防塵： 考慮IP等級，以適應(yīng)日常佩戴和運動環(huán)境。

• 材質(zhì)選擇： 親膚材質(zhì)，避免過敏。

• 光學(xué)窗口設(shè)計： 傳感器區(qū)域的光學(xué)窗口需要透明且耐磨，同時避免內(nèi)部光泄露。

第四章 關(guān)鍵元器件詳細選擇與作用

在第二章中已經(jīng)對核心元器件進行了概括，本章將更深入地闡述選擇特定型號的原因及其在系統(tǒng)中的具體作用。

4.1 微控制器（MCU）：Nordic nRF52832

• 為什么選擇：

• 高度集成藍牙5.0： nRF52832集成了完整的BLE 5.0協(xié)議棧，無需額外藍牙芯片，大大簡化了硬件設(shè)計，降低了PCB面積和成本，并提高了通信效率。

• ARM Cortex-M4處理器： 具有浮點運算單元（FPU），能夠高效處理復(fù)雜的PPG信號處理算法（如FIR/IIR濾波、FFT、自適應(yīng)濾波等）和運動傳感器數(shù)據(jù)融合。這對于在有限功耗下實現(xiàn)精準動態(tài)心率測量至關(guān)重要。

• 超低功耗： Nordic芯片在各個工作模式下都具有出色的功耗表現(xiàn)，特別是在深度睡眠模式下，電流消耗極低，這對手環(huán)這種電池供電設(shè)備至關(guān)重要。其靈活的電源管理單元能夠動態(tài)調(diào)整功耗。

• 豐富的GPIO和外設(shè)： 提供了充足的通用輸入/輸出端口，以及SPI、I2C、UART等多種串行通信接口，可以方便地與AMS AS7000（I2C/SPI）、加速度計（I2C/SPI）、OLED顯示屏（SPI/I2C）等外設(shè)進行高速數(shù)據(jù)交互。

• 大容量內(nèi)存： 512KB Flash和64KB RAM，足以存儲固件代碼、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及運行復(fù)雜的算法。

• 成熟的生態(tài)系統(tǒng)： Nordic提供了完善的SDK、開發(fā)工具、參考設(shè)計和社區(qū)支持，能夠加速產(chǎn)品開發(fā)周期。

• 器件作用：

• 主控核心： 整個手環(huán)系統(tǒng)的“大腦”，協(xié)調(diào)和控制所有硬件模塊。

• 數(shù)據(jù)采集與處理： 從AS7000和運動傳感器采集原始數(shù)據(jù)，運行PPG和運動數(shù)據(jù)處理算法，計算心率、步數(shù)等健康指標。

• 藍牙通信管理： 負責(zé)建立和維護與手機APP的藍牙連接，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)和指令。

• 用戶界面與反饋： 驅(qū)動OLED顯示屏顯示信息，處理按鍵輸入，控制震動馬達提供反饋。

• 電源管理： 根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進入/退出不同的低功耗模式，管理外設(shè)供電。

• 固件更新： 支持OTA空中固件升級，方便產(chǎn)品后期維護和功能迭代。

4.2 心率/血氧測量模塊：AMS AS7000

• 為什么選擇：

• 專為可穿戴優(yōu)化： AS7000是AMS專門為可穿戴設(shè)備設(shè)計的光學(xué)傳感器，其尺寸、功耗和性能都針對這一應(yīng)用進行了優(yōu)化。

• 高集成度： 集成了LED驅(qū)動器、高靈敏度光電二極管、模擬前端（AFE）和22位高精度ADC。這種高集成度大大減少了外部元器件數(shù)量，簡化了PCB布局，降低了系統(tǒng)噪聲和開發(fā)難度。

• 卓越的信噪比（SNR）： 內(nèi)部優(yōu)化的AFE和數(shù)字濾波器設(shè)計，能夠有效抑制環(huán)境光噪聲和電氣噪聲，從而在各種光照條件下捕獲到高質(zhì)量的PPG信號，這是動態(tài)心率測量準確性的基礎(chǔ)。

• 內(nèi)置運動偽影抑制： AS7000的獨特之處在于其支持通過外部運動傳感器（如加速度計）數(shù)據(jù)進行運動偽影補償。它內(nèi)部包含算法或者提供接口和計算能力來配合MCU實現(xiàn)運動狀態(tài)下的心率測量，顯著提升了動態(tài)測量的準確性和穩(wěn)定性。

• 多波長支持： 允許連接不同顏色的LED，如綠光用于心率測量，紅光/紅外光用于血氧飽和度測量，使得一個傳感器可以實現(xiàn)多功能健康監(jiān)測。

• 低功耗： 針對電池供電應(yīng)用進行了功耗優(yōu)化，延長手環(huán)續(xù)航時間。

• 器件作用：

• 光信號發(fā)射與接收： 內(nèi)部LED發(fā)射光線穿透皮膚，內(nèi)部光電二極管接收反射光。

• 光電轉(zhuǎn)換與放大： 將接收到的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進行低噪聲放大。

• 高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換： 將模擬的PPG信號轉(zhuǎn)換為高分辨率的數(shù)字信號，供MCU進行進一步處理。

• 環(huán)境光抑制： 內(nèi)置硬件機制有效抑制環(huán)境光對測量的干擾。

• 原始PPG數(shù)據(jù)輸出： 通過I2C/SPI接口向MCU提供高保真的原始PPG波形數(shù)據(jù)。

• 配合運動補償： 提供所需的硬件支持和數(shù)據(jù)接口，以配合MCU和外部加速度計進行動態(tài)運動偽影消除。

4.3 運動傳感器：Bosch BMI270

• 為什么選擇：

• 業(yè)界領(lǐng)先的IMU： Bosch是MEMS傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，BMI270是其高性能、低功耗的最新一代IMU，在精度、穩(wěn)定性和可靠性方面表現(xiàn)卓越。

• 集成加速度計和陀螺儀： 提供六軸運動數(shù)據(jù)，不僅可以測量線性加速度，還可以測量角速度。這對于精確識別運動狀態(tài)、區(qū)分運動偽影和真實心率信號至關(guān)重要。

• 超低功耗： 針對可穿戴設(shè)備進行了功耗優(yōu)化，可以長時間工作而不會顯著增加系統(tǒng)整體功耗。

• 智能中斷功能： 支持多種可編程中斷（如手勢識別、運動檢測、步數(shù)計數(shù)等），可以幫助MCU在特定事件發(fā)生時才被喚醒，進一步降低系統(tǒng)功耗。

• 小尺寸封裝： 微型封裝適合集成到空間受限的智能手環(huán)中。

• 器件作用：

• 提供運動參考： 測量手環(huán)的姿態(tài)、運動強度、方向等信息，作為AS7000運動偽影補償算法的重要輸入。通過精確的運動數(shù)據(jù)，算法可以更好地“減去”由運動引起的光信號變化。

• 計步與活動追蹤： 基于加速度計數(shù)據(jù)實現(xiàn)精確的計步功能、卡路里消耗估算以及識別不同的運動模式（如跑步、步行、靜止等）。

• 睡眠監(jiān)測： 通過分析用戶在睡眠中的微小運動，判斷睡眠狀態(tài)（深睡、淺睡、REM等）。

• 跌落檢測（可選）： 可以擴展實現(xiàn)跌落檢測功能，提升手環(huán)的緊急救援能力。

4.4 顯示屏：0.96英寸OLED（SSD1306驅(qū)動）

• 為什么選擇：

• 自發(fā)光特性： OLED像素自發(fā)光，無需背光，因此在顯示黑色背景時幾乎不消耗電量，整體功耗低于LCD。這對于電池供電的手環(huán)來說是重要優(yōu)勢。

• 高對比度與廣視角： OLED顯示效果鮮艷，對比度極高，無論從哪個角度觀看都能清晰顯示，提升用戶體驗。

• 響應(yīng)速度快： 適用于顯示動畫或快速變化的信息。

• 輕薄小巧： 易于集成到手環(huán)有限的空間內(nèi)。

• SSD1306驅(qū)動成熟： SSD1306是市面上非常普遍且成熟的OLED驅(qū)動芯片，有大量的開源驅(qū)動庫和開發(fā)資源，降低了軟件開發(fā)難度。支持I2C和SPI接口，方便與MCU連接。

• 器件作用：

• 信息展示： 直觀地顯示實時心率、時間、日期、步數(shù)、卡路里、電池電量、通知等關(guān)鍵信息。

• 用戶交互： 提供可視化的操作界面，例如菜單選擇、模式切換等。

4.5 鋰電池充電管理IC：TI BQ24070

• 為什么選擇：

• 集成度高： BQ24070集成了線性充電器、電源路徑管理和負載開關(guān)功能，簡化了電路設(shè)計。它能同時為電池充電并為系統(tǒng)供電，在充電過程中系統(tǒng)可以直接使用外部電源，而無需從電池取電。

• 安全充電： 提供精確的恒流/恒壓充電模式，內(nèi)置熱調(diào)節(jié)、充電狀態(tài)指示、充電終止功能，以及電池過壓、欠壓、過流和短路保護，確保鋰電池充電安全，防止電池損壞或發(fā)生危險。

• 預(yù)充、快充、涓流模式： 支持多種充電階段，優(yōu)化充電效率和電池壽命。

• 小封裝： 適用于空間受限的手環(huán)產(chǎn)品。

• 器件作用：

• 電池充電： 負責(zé)管理手環(huán)內(nèi)置鋰電池的充電過程，將其從USB電源或其他外部電源安全有效地充滿。

• 電源路徑管理： 智能地在外部電源和電池之間切換供電，確保系統(tǒng)在充電時也能正常工作，并保護電池。

• 電池保護： 監(jiān)測電池電壓、電流和溫度，防止過充、過放、過熱等情況，延長電池使用壽命并提高安全性。

4.6 DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：Richtek RT8096A

• 為什么選擇：

• 高效率： 針對電池供電應(yīng)用，DC-DC轉(zhuǎn)換器在較寬的負載范圍內(nèi)保持高效率，這意味著更少的能量損耗，更長的電池續(xù)航時間。RT8096A的轉(zhuǎn)換效率通常能達到90%以上。

• 小封裝： SOT23-5或TSOT23-5封裝，體積小巧，易于集成。

• 低噪聲： 雖然是開關(guān)電源，但優(yōu)質(zhì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器在設(shè)計上會盡量降低開關(guān)噪聲，以避免對敏感的傳感器（如AS7000）產(chǎn)生干擾。

• 寬輸入電壓范圍： 能夠接受鋰電池從滿電到低電量的寬電壓范圍輸入（通常2.5V-5.5V），并提供穩(wěn)定的輸出電壓。

• 器件作用：

• 電壓轉(zhuǎn)換： 將鋰電池的電壓（通常為3.7V-4.2V）高效地轉(zhuǎn)換為MCU（如3.3V）和其他模塊所需的穩(wěn)定工作電壓。

• 穩(wěn)定供電： 為數(shù)字和模擬電路提供干凈、穩(wěn)定的電源軌，確保系統(tǒng)各模塊正常工作，并減少電源紋波對AS7000等敏感模擬器件的干擾。

• 提升續(xù)航： 其高效率特性將電池能量最大限度地轉(zhuǎn)換為可用電能，顯著延長手環(huán)的電池續(xù)航時間。

第五章 動態(tài)心率測量的挑戰(zhàn)與優(yōu)化

盡管AMS AS7000提供了強大的功能，但在實際應(yīng)用中，動態(tài)心率測量依然面臨諸多挑戰(zhàn)，需要通過軟硬件協(xié)同優(yōu)化來解決。

5.1 運動偽影的進一步抑制

• 多傳感器融合： 除了加速度計，結(jié)合陀螺儀（如BMI270內(nèi)部集成）數(shù)據(jù)可以更準確地描述手腕的運動狀態(tài)，為運動偽影算法提供更全面的信息。

• 高級算法： 采用更復(fù)雜的自適應(yīng)濾波算法（如Kalman濾波、非線性自適應(yīng)濾波）、基于機器學(xué)習(xí)的分類器來識別和去除運動噪聲。

• 傳感器位置優(yōu)化： 確保AS7000傳感器緊密貼合皮膚，減少手環(huán)晃動。

• 佩戴緊密度建議： 在產(chǎn)品說明中明確建議用戶在運動時適當(dāng)收緊手環(huán)，以優(yōu)化測量效果。

5.2 環(huán)境光干擾處理

• AS7000內(nèi)置功能： 充分利用AS7000的環(huán)境光抑制功能。

• 光學(xué)設(shè)計： 優(yōu)化傳感器光學(xué)窗口和遮光設(shè)計，盡量減少外部雜散光進入光電二極管。

• 算法補償： 在軟件層面進一步分析和補償殘余的環(huán)境光噪聲。

5.3 個體差異適應(yīng)性

• 自適應(yīng)增益控制： AS7000的AFE通常具備自動增益控制（AGC）功能，能夠根據(jù)皮膚特性和血流灌注量自動調(diào)整LED驅(qū)動電流和放大器增益，以獲取最佳信號強度。

• 算法魯棒性： 確保心率提取算法對不同個體（膚色、血流灌注、年齡等）的PPG波形變化具有良好的魯棒性。

5.4 功耗優(yōu)化

• MCU低功耗模式： 充分利用Nordic nRF52系列MCU的各種低功耗模式（System ON, System OFF, 低功耗定時器等），在不測量或不活動時進入超低功耗狀態(tài)。

• 外設(shè)管理： 精確控制AS7000、顯示屏、藍牙模塊等外設(shè)的啟停，僅在需要時供電或激活。

• 采樣率優(yōu)化： 根據(jù)運動狀態(tài)動態(tài)調(diào)整AS7000的采樣率，靜止時可降低采樣率，運動時提高采樣率以捕捉更豐富的波形信息。

• 藍牙連接策略： 優(yōu)化藍牙廣播間隔和連接間隔，減少不必要的通信。

5.5 佩戴舒適性與可靠性

• 人體工程學(xué)設(shè)計： 確保手環(huán)表帶材質(zhì)親膚、透氣，表身弧度貼合手腕。

• 防水防塵設(shè)計： 采用IP67或IP68等級的防水防塵設(shè)計，滿足日常使用和運動需求。

• 結(jié)構(gòu)強度： 確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)堅固耐用，能承受日常磨損和意外沖擊。

第六章 總結(jié)與展望

基于AMS AS7000的動態(tài)心率測量智能手環(huán)設(shè)計方案，通過高度集成的光學(xué)傳感器、高性能低功耗MCU、先進的運動傳感器以及優(yōu)化的軟件算法，能夠?qū)崿F(xiàn)相對準確和可靠的動態(tài)心率監(jiān)測功能。在元器件選擇上，我們優(yōu)先考慮了集成度高、功耗低、性能穩(wěn)定且具有良好生態(tài)支持的芯片，如Nordic nRF52系列MCU、Bosch BMI270運動傳感器以及TI BQ24070充電管理IC和Richtek RT8096A電源管理芯片，這些都為手環(huán)的長期穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。

然而，動態(tài)心率測量的挑戰(zhàn)依然存在，尤其是在高強度運動和劇烈晃動的情況下，信號質(zhì)量仍可能受到影響。未來的發(fā)展方向?qū)⒓性冢?/span>

• 更強大的運動偽影抑制算法： 結(jié)合AI和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，開發(fā)更智能、自適應(yīng)性更強的算法，以應(yīng)對更復(fù)雜的運動場景。

• 多模態(tài)融合： 除了PPG和IMU，未來可能會集成更多生理參數(shù)傳感器（如ECG、體溫、阻抗等），通過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合提供更全面的健康洞察。

• 更低的功耗： 隨著半導(dǎo)體工藝的進步，傳感器和MCU將繼續(xù)降低功耗，進一步延長手環(huán)的電池續(xù)航時間。

• 更小的尺寸與更高的集成度： 推動 SiP（System-in-Package）封裝技術(shù)，將更多功能集成到更小的空間內(nèi)。

• 醫(yī)療級準確性： 逐步向醫(yī)療級穿戴設(shè)備發(fā)展，提供更精準、更具診斷價值的健康數(shù)據(jù)。

通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，基于AMS AS7000等先進傳感器的智能手環(huán)將在個人健康管理中扮演越來越重要的角色，為用戶帶來更便捷、更智能的健康監(jiān)測體驗。