可穿戴傳感器的關鍵驅動因素是健康監測，小型化是該技術的關鍵推動因素。能夠將多個傳感器和數據采集子系統集成在與微控制器相同的設備上，使設計人員能夠將設備的設計小型化，以適應更多的外形尺寸。

例如，PulseOn的最新可穿戴健康監測器使用STMicroelectronics的定制微機械MEMS傳感器及其STM32L微控制器。這提供了準確的連續心率測量，并且在微控制器上運行的算法將數據轉換為每個人的有意義的個性化反饋。

MEMS加速度計將心率測量精度和可靠性保持在由一個心電圖，并已在各種條件下進行測試，從缺乏身體活動到高水平的心血管活動。加速度計通過跟蹤系統中的手部運動和振動來消除光學血流檢測中的噪聲，從而系統可以區分代表實際心臟脈沖的信號和僅僅是手部運動引起的噪聲。加速度計還決定了佩戴者的身體活動水平。

圖1：PulseOn的智能可穿戴健康監測儀使用MEMS加速度計和STMicroelectronics的高度集成控制器提高血壓測量的準確性。

“芯片的精度和性能使我們能夠將最嚴格的科學標準應用于PulseOn心率測量技術，產生可靠的結果包括休息期間的節拍準確性，“PulseOn工程主管Jari Nousiainen說。 “同樣重要的是，通過創造市場上最小巧，最精確的腕戴式心率監測儀，設備的微小尺寸和能量預算成為競爭優勢。”

另一種小型化的方法健康監視器將盡可能多的數據捕獲集成在一個芯片上。 ADI公司的ADuCM350是一款高精度片上電路，設計用于便攜式設備應用中的紐扣電池，如床邊診斷和可穿戴設備。通過將模擬前端的電流，伏安和阻抗測量功能與靈活的開關矩陣相結合，可以在最小的占位面積中使用各種傳感器，從而減小系統的整體尺寸。它使用16位，精密，160 kSPS模數轉換器（ADC）; 0.17％精密電壓基準; 12位，無丟碼數模轉換器（DAC）;和可重配置的超低漏電開關矩陣。還有一個溫度傳感器，精度為±1°C，溫度范圍為0°C至50°C。

該芯片還包括一個基于ARM Cortex-M3的低功耗處理器，384 kB嵌入式處理器閃存，32 kB系統SRAM和16 kB閃存配置EEPROM，以及支持帶顯示屏，USB通信和有源傳感器的便攜式儀表的I/O. AFE通過高性能總線（AHB）從接口連接到ARM Cortex-M3，以及直接存儲器訪問（DMA）和中斷連接。

圖2：ADuCM350將運行狀況監視器所需的所有元件集成到芯片級封裝的單個芯片上。

為了保持系統尺寸不變，所有這些都包裝在120 -lead，8 mm×8 mm芯片級球柵陣列（CSP_BGA），工作溫度范圍為-40°C至+ 85°C，可滿足多種不同環境的需求。

當然，功率是系統小型化的重要考慮因素，因為較低的功率允許更小的電池。因此，ADuCM350具有一系列功耗模式，如動態和軟件控制的時鐘和電源門控。

飛思卡爾半導體的MK50DX256CLK10同樣針對小型化傳感器應用，具有多種集成外設。其中包括兩個16位逐次逼近型SAR ADC，一個集成在每個ADC中的可編程增益放大器（PGA）（高達x64），以及兩個運算放大器和兩個跨阻抗放大器。對于數據輸出，有兩個12位DAC，三個模擬比較器（CMP）包含一個6位DAC和可編程參考輸入和一個電壓參考，所有這些都允許系統更高度集成。

通信接口包括帶有片上收發器的USB全速/低速On-the-Go控制器，兩個SPI模塊和兩個I 2 C模塊，用于連接數字系統中的傳感器，以及連接到其他串行傳感器的四個UART模塊。還有一個I 2 S模塊鏈接到系統中的其他控制器和一個用于顯示管理的低功耗硬件觸摸傳感器接口（TSI）。

所有這些都是由帶有DSP指令的ARM Cortex-M4內核控制，每MHz提供1.25 Dhrystone MIPS，運行頻率高達100 MHz，以最大限度地降低功耗。內存支持包括高達512 KB的程序閃存，56 KB的非易失性存儲器FlexNVM和高達128 KB的RAM。 16通道DMA控制器支持多達63個請求源，允許從傳感器捕獲數據并存儲，而無需喚醒微控制器內核，從而降低總體功耗并有助于減小設計尺寸。

圖3：飛思卡爾的MK50DX256CLK10通過集成簡單電極的數據捕獲功能，用于心率測量補丁。

MK50DX256CLK10可用于可穿戴式心臟監測貼片等應用，其中來自電極的信號由運算放大器提升，并由SAR ADC轉換為數字信號，分辨率為12位。然后，M4內核可以處理信號或將其發送到鏈接到基本單元的無線收發器。所有這一切都可以集成到一個簡單的粘合劑貼片中，該貼片帶有柔性鋰離子電池，可以舒適地放在患者的胸部，以監控活動，而無需復雜的胸帶和許多不同的電線。這種小型化水平提高了醫院的操作效率，使患者的生活更加舒適。

然而，不僅僅是32位控制器可用于小型化監測健康狀況的傳感器系統。德州儀器（TI）的MSP430 16位系列專注于低功耗和集成，為傳感器系統提供平臺。用于監測糖尿病和心率監測器的血糖儀等應用是MSP430系列的目標，利用片上數據轉換器。 MSP430AFE2x3是一款超低功耗混合信號微控制器，集成了三個獨立的24位Σ-ΔADC，一個16位定時器，一個16位硬件乘法器，USART通信接口，看門狗定時器和十一個I/O.引腳。

同樣，超低功耗是最小化設計尺寸的關鍵考慮因素，并且該架構具有五種低功耗模式，因此可以針對便攜式測量應用中的延長電池壽命進行優化。該器件具有16位RISC CPU，具有16位寄存器和恒定發生器，有助于實現最高的代碼效率，因此可實現更小，更節能的設計。數字控制振蕩器（DCO）允許在不到1μs的時間內從低功耗模式喚醒到活動模式。

圖4：德州儀器（TI）的MSP430AFE系列集成了Σ-Δ模數轉換器和16位RISC控制器，可實現緊湊，低功耗的健康監測設計。

結論

現代微控制器的高級集成是為健康監視器的小型化做出了巨大貢獻，接近了將絕大多數功能組合在一個芯片上的程度。系統開發人員總是需要單獨的傳感器來區分他們的設計，但是小型化數據采集和系統設計的模擬前端允許更多的健康監測功能被包含在更小的形狀因子中。仔細管理功耗的能力還允許足夠的電池壽命，但也意味著可以使用更小的電池來進一步減小系統的尺寸。

在靈活總線上安裝數據采集外設還有助于減小系統尺寸，因為多個傳感器可以鏈接到相同的數據轉換器。只要功能正交并且傳感器不會同時使用，靈活性就可以實現更小的引腳排列，因此占用空間更小。

然而，PulseOn的例子表明，越來越多的傳感器被一起使用 - MEMS加速度計與光學血流傳感器同時使用，以提高最終數據的質量。這為設計師帶來了更多的挑戰，他們的目標是將布局縮小到盡可能小的系統尺寸，但同時也為縮小健康監視器的大小和提高信息質量提供了機會。