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感測器/MEMS  

為智慧手錶許一個心跳

上網時間: 2016年04月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧手錶  ADPD103  光度測定前端IC  HRV  PPG 

最佳化每瓦SNR

當設計運動手錶時,如何以最低功耗實現良好性能是最大的挑戰。ADPD 103提供各種可用於最佳化SNR和功率消耗量比率的參數。我們可以用幾個步驟調整系統,以發現其運作的‘最佳點’。由於缺少光電電流,ADC的輸出處於中間值,因此,為了使動態範圍最大化,可施加偏置而取得一個等於零的ADC碼,而光也不存在於光感測器輸入部份。以下步驟是大約60%設定一個正常作業點,這將留下足夠空間用於偵測心跳。為了找到這個操作點,我們可以調整跨阻抗放大器的增益,同時設定最大的LED峰值電流。在最佳化LED電流和TIA增益後,可以增加LED脈衝數以獲得更多訊號。請注意,提高LED的峰值電流將會等比例地增大SNR,然而增加n倍的脈衝數,卻僅改善了√(n)的SNR結果。

為了讓心率裝置找到最佳設置,很大程度上取決於使用者。使用者的膚色與裝置的位置、溫度和血流同樣對訊號強度產生影響。

此光學前端還可被視為兩個單獨的電源供應器,用於計算功率消耗:

Itotal = IADPD + ILED

IAPAD是輸入放大器級、ADC和數位狀態機所消耗的電流。這些功耗數字大多取決於ADC的取樣率。 LED電流則端視於人的膚色和感測器在人體上的位置。較深的膚色需要較多的LED電流,同樣地,身體上較少血液流動位置的感測器也需要較多LED電流。 LED的平均電流可用以下公式計算:

ILED-average =

(ILED-PEAK x tpulse x npulses x Fsampling)

Ipeak則是最大的LED電流乘以脈衝寬度和脈衝數。這可以看作是一個時間帶以及重複每次取一個新的樣本。

對於手腕上良好的心率測量來說,需要約125mA LED峰值電流,並使用2個寬度為1us的脈衝。以100Hz的取樣頻率而論,驅動LED平均需要25uA。當我們增加250uA平均類比前端(AFE)電流,光學前端消耗275uA(@3V=825uW)。此外,我們需要增加處理器功率以及動作感測器所耗費的功率。特別針對穿戴式裝置,ADI提供超低功耗動作感測器,進行3軸測量只需消耗幾微安(mA)。系統中最大功率消耗是無線電,整體功耗則端視結果多常被上傳到主機的頻率。

自動自適應演算法有助於改善系統的整體性能與功耗。對於耗費總功率來說,每次使用裝置都對設定帶來微小變化,最終達到最佳化的SNR性能,以及心率感測準確度。

動作靈敏度

光學式運動手錶的困難之處在於處理移動假影。光學感測器(光接收器和LED)和皮膚之間的動作,將會影響光學訊號的讀取,這是因為測量訊號來自於動作的光學變化產生反射光的一部份。微機電系統(MEMS)動作感測器可用於測量裝置的實體運動,並補償在光學測量中產生的誤差。ADXL362可用於電池供電以及穿戴式產品,它是一個完整的3軸MEMS動作感測器,以低至mg的精確度測量加速力(G-force),並透過其板上12位元ADC直接轉換成數位值。根據所選擇的輸出資料速率,該感測器能以300nA至高達3.0uA的範圍內作業,在400Hz的輸出資料速率(ODR)進行一個完整的3軸測量。對於一個運作中的心率測量系統來說,原始的光學和動作資料必須進行處理,以便最終取得令人感興趣的心率結果。

ADPD103其他使用案例

本文聚焦於使用ADPD103的光學心率系統,然而,ADPD103也為其他許多應用方案以及使用案例提供價值。在醫療市場上,血氧(SPO2)與非侵入式血壓一樣是頻繁使用的應用之一,其中,PPG是可以為其實現測量的方式之一。ADPD103還可應用在實驗室設備、氣體感測器和工業監控系統。對於需要控制光源和測量光電電流的任何應用方案來說,不管ADPD103有沒有心跳,它都能成為你的系統所需的心臟。


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