心率丈量
现在商场上心率丈量首要有电势丈量和光电丈量两种办法。电势丈量是一种比较传统的丈量办法，该办法经过获取心电信号，经过R-R峰值检测取得心率。而光电丈量在穿戴商场方面比较盛行，其丈量依据“光电容积图”（PPG）技能。该办法利用了血液对绿光或其它光的吸收性，经过丈量反射或透射光强的改变来反映血流量的改变，也即心脏的缩短和舒张，然后得到对应的心率数据。这种办法的根本原理是当光照透过皮肤安排后再反射到光敏传感器时，光会有必定的衰减。而有些衰减，像肌肉、骨骼、静脉和其他衔接安排等对光的吸收是根本不变的，可是血液不同，因为动脉里有血液的活动，那么对光的吸收会有所改变。当咱们把光转换成电信号时，正是因为动脉对光的吸收有改变而其他安排对光的吸收根本不变，得到的信号就能够分为直流DC信号和沟通AC信号。提取其间的AC信号，就能反应出血液活动的特色，然后得到心率和其它生理参数。大部分的腕带式心率丈量设备都选用了这种反射式丈量办法，咱们这款规划也是选用了反射的PPG技能。
体系架构
图1所示为本规划框图。该规划选用3.7V 锂电池供电，USB 对其充电，整个电源办理选用了Maxim SIMO技能的集 成电源办理芯片MAX77651B。对PPG的处理，规划选用了Maxim最新的高功用处理前端MAX30112。而处理器用的是Maxim专门针对穿戴等使用场合的MAX32660。整个板子的尺度（包含一切元件）是36mm*14mm，能够嵌入到现在商场上绝大部分盛行的手环带中。
图1. 规划体系框图
图2. MAX30112 结构框图
模仿集成前端
MAX30112是Maxim公司完好的光学血氧和心率检测模仿前端(AFE)，具有19位高分辨率，并内置了环境光消除电路和噪声消除电路，能够有用的去除噪声，进步信噪比。芯片集成了高达200mA的电流LED驱动电路，并能够经过内置DAC精确调理电流巨细，以习惯不同的丈量场合和人群。MAX30112是腕式使用的极低功耗的高功用心率/血氧检测解决计划，主电源1.8V，支撑规范I2C兼容接口，体积只要2.8mm x 2.0mm，首要用在腕式可穿戴设备，心率和SpO2监测设备以及健身可穿戴设备上。
处理器单元与心率算法
MAX32660是带有浮点运算单元 (FPU)的超低功耗ARM M4核的MCU，自带256KB闪存、96KB RAM、16KB指令缓存、14个通用I/O引脚，选用简略的SWD编程。其内部振荡器作业频率高达96MHz，支撑SPI，UART和I2C通讯。 它集成了优化的电源办理单元，待机电流只要2uA，能够最大程度延伸电池的作业时间。MAX32660的超低待机功耗，灵敏的电源装备，超小体积（1.6mm x 1.6mm），使其十分合适可穿戴规划使用，包含运动手表，手环，健身设备，可穿戴医用贴片，手持医疗设备和物联网(IoT)等使用。本规划中，MAX32660处理各种软件作业，还包含一款动态心率算法。
图3. MAX32660 结构框图
图4. MAX32660 软件流程图
模仿前端测验：MAX30112作为信号处理的中心部分，其信噪比直接决议了整个规划的功用，下图是几位测验目标的信号输出波形，能够看到PPG波形质量很好，完全能够满意各种算法要求。
lady_w1, 30years old, wrist, HR=84
Kid boy_f3, 9 years old, wrist, HR=72
man_l4, 42 years old, wrist, HR=76
man_f6, 42 years old, wrist, HR=68
信号处理测验：为了阐明作用，咱们专门开发了静态的心率算法，该算法能够依据测验目标特色进行主动盯梢调整丈量参数。咱们随机抽取了几组丈量目标，和现在商场上盛行的手环产品比照。以下是测验比照表。
Table 1. 测验比照表（测验条件：手腕，共6名测验者）
电源办理体系
穿戴设备都是电池供电，对作业时间有必定要求，一起对体积也有严格要求，期望越小越好。比方本规划要求在120mAH的电池下，可接连作业24小时，待机能够到达2周。因而，电源办理体系就显得尤为重要。小尺度、锂电池供电设备的大多数PMIC还会需求其它附加器材，例如boost、buck或低压差（LDO）稳压器、充电办理器或用于LED显示器的电流调理器。为节约空间、进步功率，MAX77651将上述功用悉数集成在一起，构成完好的电源计划，而面积只要19.2mm2 ，根本是当时商场上相似计划尺度的1/2。MAX77651另一个明显特色是选用单电感多输出（SIMO） buck-boost架构，凭仗共同的内部控制体系完成单个电感供给三路电源输出，并结合150mA LDO和三路灌电流驱动器，大大削减板级元器材数量，最大程度地增大电路板可用空间。为进步规划灵敏性，MAX77651别离支撑最高3.3V和5V作业电压，一起也供给各种工厂编程选项，答应客户依据本身需求量身定制计划，使产品快速上市，是一款抱负的低功耗规划使用的芯片。因而，MAX77651具有超低待机功耗（0.3uA），高功率，少器材，小尺度的明显优势。下图是选用Maxim SIMO计划和传统电源计划的一个示例比照测验。
图5. SIMO计划和传统电源计划比照
图 6. MAX77651 使用框图
电源测验：体系既有高精度模仿电源，也有数字电源，而咱们规划选用的是单一集成的电源计划，因而其功用对体系精度极为重要。电路规划和PCB布线必定要以数据手册要求为主，特别要点要注意以下几点：
一是IN_SBB和SBBx的电容要尽或许的接近管脚，尽量不要有过孔；
二是SBBx的输出走线尽或许短，削减和负载端的散布参数；
三是因为SIMO 是高度集成计划，外围器材很少，首要就一个电感和几个电容，所以整个尺度很小。为了确保功用，需求多层布板，主张4层或以上，确保有独自的电源层和地层。
下图是本参阅规划测验的MAX77651B 输出波形，能够看到纹波最大是40mVpp。这是单一电感3输出的作用，功用完全能够承受。
图7. MAXREFDES1207电源纹波测验
测验
图8是本规划的产品，咱们一切测验都是依据它进行的测验。
图8. MAXREFDES1207
参阅文献：
1． MAX30112数据手册，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/sensors/MAX30112.html
2． MAX77651数据手册，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/power/switching-regulators/MAX77651.html
3． MAX77650/MAX77651 编程手册，Maxim Integrated Products
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6428
4． MAX32660数据手册，Maxim Integrated Products https://www.maximintegrated.com/en/products/microcontrollers/MAX32660.html
5． MAX32660 用户编程手册，Maxim Integrated Products
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/6659
