電子發燒友App
穿戴式裝置搭配手持式裝置與網際網路的連結，構建出包含生活、運動、醫療…等各種領域等更多生活上的應用。由于穿戴式裝置體積小巧且更貼近人體，其設計上對于體積重量、發熱、EMI、電源管理、防觸電、防濕防水防塵、舒適度甚至在時尚感有更嚴苛的要求，因此市場也針對穿戴式裝置，推出各式專用的微機電電子元件與感測技術。
穿戴式裝置專用之微機電元件
隨著MEMS（微機電）元件技術的進步，讓各式傳感器能輕松嵌入到手持式裝置、穿戴式裝置之中，使科技應用無所不在。由于穿戴式裝置是穿戴于人體身上，故比手持式裝置更貼近人類，能夠延伸更多生活上應用，或忠實偵測與紀錄人體生理機能的反應。目前已知的穿戴式裝置，可提供人類在科技應用（語音通訊/擴增實境/個人助理）、生活品質（食品熱量、睡眠提示、節食建議）、運動健身（比賽紀錄、訓練健身、虛擬教練）、醫療輔助（心電圖、脈搏記錄、睡眠改善…等生理機能量測儀）、旅游輔助（路線建議、導航指示、旅程紀錄）、公益應用（孩童/寵物/老人失蹤協尋）等各種貼心的應用。
基本穿戴式裝置的感應器系統架構圖 （fp7-smac.org）
醫療穿戴式裝置的資訊傳遞系統架構圖 （Intersive）
由于穿戴式裝置的體積更小，更貼近人體，且必須長時間穿戴，因此這些裝置對于發熱、EMI （電磁干擾）、電源管理、防觸電、防汗/防水/防塵、舒適度、精準度、體積重量，甚至時尚等要求，都比手持式裝置更為嚴格，因此各廠商在設計產品時，就必須顧慮到這些課題。而MEMS微機電零件供應商，也提供各種不同等級的產品，以符合系統廠商在設計穿戴式裝置時的需求。
當今高階手持式裝置的CPU（處理器），已經邁向八核心的里程碑，處理速度更快。然為了減少感測器在全天候偵測、搜集與處理上的電能消耗，許多產品已開始搭配MCU（微控制器），來擔任動作感應專用的協同處理器（Motion Co-processor）。
以蘋果iPhone 5s、iPad Air、iPad mini 2內建的M7為例，便是一款協同處理器，采用NXP LPC1800系列的客制化Cortex-M3微控制器，運作時脈為150MHz，可搜集、量測、儲存感應到的資料（來自STM三軸陀螺儀、Bosch三軸加速器、AKM電子羅盤等感應器資訊），縱使手機在待機中亦能運作，繼續將感測資料記錄下來，待裝置喚醒后就能夠繼續處理資料，這樣的設計可讓裝置在長時間的運作下（例如運動），更為省電。
在穿戴式裝置的應用上，大多采用Sensor Hub MCU，亦即采用ARM Cortex M系列的MCU來當主要控制器，以達到高效能、低耗電的目的。例如Fitbit智慧手環，便是采用ST的STM32L151C6 Cortex-M3低功耗16位元32MHz MCU、Jawbone UP智慧手環采用TI的MSP430F5528 16位元25MHz MCU。而Pebble智慧手表采用ST的STM32F205RE Cortex-M3架構的32位元120MHz MCU、Sony SmartWatch SW2也采用ST MCU，時脈為180MHz。
至于Samsung的Galaxy Gear智慧手表，仍采用自家Exynos 800MHz單核CPU來做感測運算處理，可惜搭配的電池容量太小，連續使用25小時就要充電，雖效能強、但持續力不佳，市場反應冷淡。因此，Samsung在MWC發表的Gear 2家族，采用MCU設計，使用時間可達2~3天。由此可見，為了功耗與增加電池壽命，未來將會有更多穿戴式產品改用MCU來當主要處理器。
穿戴式裝置的元件－MEMS、Sensor
在感測器方面，穿戴式裝置目前配置的基本三個體感/動態感測元件，就是電子羅盤（magnetometer）、三軸陀螺儀（gyroscope）、三軸加速器（accelerometer），可以用來計步、偵測心跳、生理追蹤等等。
至于在環境感應器部份，則是依照產品的應用需求再加入。例如接近感應器（Proximity sensor）、溫度計（Thermometer）、濕度計（Hygrometer）或氣壓計（Barometer）等等。若有輔助操控部份，如手勢、語音等輸入，則會選擇將紅外線（Infrared）或相機模組（Camera Module）、麥克風（Mic）等元件內建，以做簡單的手勢、語音辨識。例如Google Glass就包含了光度感應器（Ambient Light Sensor）、接近感應器，做為調整亮度與物體偵測之用。
在軟體技術方面，已有許多廠商開發出自家專利的演算法，應用在各穿戴式應用的軟硬體產品。如Nike+ Running App（跑步訓練程式）、Jawbone Up、Fitbit系列手環，便是采用FullPower公司的MotionX技術。
醫療、保健等感測器專用之穿戴式裝置的元件
消費級的穿戴式裝置，可提供個人保健、節食塑身、手機延伸應用等。至于專業級的產品，則有不同的訴求。在醫療院所里，量測專用的穿戴式裝置其實早行之有年，近年來由于科的進步，當許多量測裝置的體積能夠縮小，且透過無線的方式將訊號傳遞出來，不需要再連接一堆電線，使病人能夠行動自如。
醫學或健康產業所設計的穿戴式裝置，大多內建上述的感應器架構，而醫學復健的感應器，還會加上體感技術。這類產品的功能訴求單純，主要用于量測個人生理資訊，數值量測的要求上，則是必須非常精確，且裝置要能夠長時間使用，并可透過內建的GSM或Wi-Fi無線通訊，將身上的各種儀器串連起來，成為一個身體網路（Body Area Network；BAN），同時也可以將資料回傳至醫療院所以利于后續追蹤，如此進而達到居家照護、遠距醫療之應用。
下面來自各大廠商的可穿戴醫療典型設計和方案，給你最全面的參考！
可穿戴型無線貼片是一款一體化監測工具， 可測量心率、呼吸模式和其他生命體征。該貼片適用于臨床和個人醫療保健應用。貼片型醫療保健產品可增加患者的移動性和舒適性，并可將生命體征數據無線上傳 至云端，用于實時分析或長期保存記錄。飛思卡爾為該應用提供了廣泛的低功耗、低成本MCU以及無線解決方案。
功能框圖
推薦的解決方案
微控制器（MCU）
MC1323x： 2.4 GHz 802.15.4 RF and 8-bit HCS08 MCU with 128 KB Flash， 8 KB RAM
電源管理
MC34712： 3.0 A 1.0 MHz全面集成的DDR開關電源
目標應用
活動監測儀
ECG
血糖儀
心律監測儀
呼吸監測儀
概述
血壓監視儀作為電子醫療產品的代表，近年來在眾多家庭中迅速普及。隨著上臂 式血壓監視儀的廣泛普及，可以輕松測量的手腕式血壓監視儀的需求也日益增加，而裝置的小型化、電池的高壽命化就變得尤為必要。此外，為了測量數據的共享， 以及在哪兒都可以調出數據，就必須加強電腦或手機與USB / Bluetooth使用的通信功能，向泛網社會發展。
根據電池的高壽命化，或裝置的小型化可以降低所需電池的數量，因此需要低功耗。血壓的測量是壓力傳感器通過變頻電路來改變頻率的，因此使用定時器來計量的方法得以普及。另外，內置對測量用氣囊帶加壓的PWM定時器，以及支持通信功能的UART也是必須。
瑞薩擁有豐富的MCU產品線，其中，78K0/Lx3，R8C/Lx內置LCD驅動控制電路，可實現低功耗，并內置了血壓監視儀所需的外圍功能，此外還內置看門狗定時器（WDT）、實時時鐘（RTC），降低外置元件，實現成本的降低。
功能框圖
相關瑞薩產品
主控制器
78K0R / LX3微控制器是16位單片機微控制器。它包括78K0R CPU核心和外圍功能器件如ROM/RAM，LCD控制器/驅動器，A/D，D/A轉換器，運算放大器，多功能的串行接口，多功能定時器，實時計數器，和看門狗定時器。
R8CLx 內置LCD低功耗的8位MCU，R8C/Lx系列內置LCD驅動控制電路。它繼承了R8C/3x系列產品的很多外圍功能（如多功能定時器和各種通信功能） 以及38000/740和 H8/300L超低功耗系列產品中簡便易用的LCD驅動控制電路。R8C/Lx系列具有下列主要特性，并且支持各種LCD面板設備。
詳細資料：R8CLx 內置LCD低功耗的8位MCU
傳感器
詳細資料：HA1630xxx系列
通用浪涌吸收電路保護
詳細資料：HSM123開關二極管
????????? HRC0103C肖特基二極管
USB接口
詳細資料：RKZ6.8Z4KT 用于浪涌保護的齊納二極管
電機、閥、脈動
詳細資料：UPA2761UGR P溝道MOSFET
生命體征監測服（Fit）使專業醫護人員和迫切想要了解自身健康狀況的用戶能夠以低成本頻繁監測各項體征指標。高度集成的監護服設計可用于測量三導聯心電圖（ECG）、體溫和運動狀態。所有診斷工具均已集成到襯衫內部，不會影響穿著舒適度。
該新型智能監護服集成了干電極ECG測量技術、復雜的信號處理技術、溫度傳感器、運動傳感器、超低功耗微控制器及無線通信單元，是Maxim Integrated、Clearbridge VitalSigns和Orbital Research三家公司在經驗、技術、創新層面積極合作的成果。這款智能監護服開啟了預防性醫療保健的新時代，使健康保健成本更低、惠及面更廣。
功能框圖
低功耗微控制器
MAXQ622是具有紅外模塊和USB （可選）功能的16位微控制器。關鍵優勢：集成了收發器的微控制器可有效降低系統的整體功耗、延長電池壽命。
詳細資料：MAXQ622
電源和電池管理
MAX8904帶有I2C接口的高效電源管理IC，用于2節Li+電池供電設備。關鍵優勢：高度集成的PMIC，優化用于POS終端。
詳細資料：MAX8904
MAX8939手機系統電源管理方案，關鍵優勢：單芯片方案滿足手機系統的寬范圍供電需求。
詳細資料：MAX8939
USB保護器/充電器
MAX17502是60V、1A、超小尺寸、高效率、同步降壓DC-DC轉換器。關鍵優勢：內置FET、60V同步整流buck轉換器，支持高效設計。
詳細資料：MAX17502
MAX17501是60V、500mA、超小尺寸、高效率、同步降壓DC-DC轉換器。關鍵優勢：內置FET、60V同步整流buck轉換器，支持高效設計。
詳細資料：MAX17501
MAX17498C是AC-DC和DC-DC峰值電流模式轉換器，支持反激/Boost應用。關鍵優勢：電流模式PWM控制器，支持緊湊的高性價比、高靈活性隔離/非隔離電源設計。
詳細資料：MAX17498C
硅溫度傳感器
MAX6656是雙路遠端/本地溫度傳感器及四路電壓監測器。
詳細資料：MAX6656
傳統心電監護儀通常需要隨身攜帶記錄監視儀，放在靠近病人頸部或腕部的口袋里，而無線心電圖監視儀的噪聲和干擾大大降低，尺寸減小到甚至可以安 裝在電極背面，能夠提供比傳統方案更精確的信號。這種電路價格便宜，且能夠提供診斷質量的1導聯心電圖跡線，驅動腿免除了對 60 Hz陷波濾波器的需求。所有的電路都能穿戴在衣服內，因此患者舒適度和隱私度大幅提高。
病人的監測數據經過加密，每隔幾分鐘就 自動上載至醫院、護理機構或養護機構中的現場采集分析系統。病人可以在預定的時間（每天或每周）到醫生辦公室或診所上載信息，而無需移除監視儀或重新放置 電極。無線心電圖監視儀還可以安裝存儲卡，通過手機或局域網進行數據傳輸。除了性能、可靠性、低功耗以及成本等因素，無線心電圖監視儀設計必須支持專用的 遙測頻段，以使監視儀的心電圖數據可以迅速、準確、安全的傳輸至數據采集器進行評估。
概述
在北美地區，無線醫療遙測服務（WMTS）頻段以及其它免授權的工業、科學和醫用（ISM）頻段提供專用的頻譜，以確保數據傳輸的無干擾、可靠連接。 ADI公司的ADF7021高性能、窄帶ISM收發器IC支持WMTS頻段以及433 MHz、868 MHz與915 MHz的ISM頻段。ADF7021具有同類最佳的接收機靈敏度，在1 kbps時為-123 dBm，內置T/R開關、VCO tank、RF/IF濾波器、全自動化的自動頻率控制（AFC）與自動增益控制（AGC）電路。為了延長電池壽命，ADF7021可以設置在功耗極低的休 眠模式，使電流消耗下降至不足0.1 μA。ADF7021與低功耗微控制器一起使用時，平均待機電流不足2 μA。WMTS優化的無線電電臺參考設計（EVAL-ADF7021DBZ6）包括原理圖與布局，可供用戶作為無線心電圖監視儀設計的參考。
無線動態心電監護儀尺寸極小，足以安裝在心電電極的背面，因為大大減少了噪聲和干擾，其信號精確度優于傳統設計。該電路價格低廉，并能提供診斷級單導 聯心電圖。 由于存在驅動腿，因而無需60 Hz陷波濾波器。 收發器（如下所示的ADF702x）及其外圍電路隨其所使用的頻帶而變化。 由于所有電路可以穿戴在衣物中，極大提升了患者的舒適度和私密性。
功能框圖
?
AD623是一款集成單電源儀表放大器，提供軌對軌輸出擺幅和低功耗（3 V電壓功耗為1.5 mW）。其中心節點用于訪問殘留共模信號。
詳細資料：AD623集成單電源儀表放大器
AD8500低功耗、高精密CMOS運算放大器的最大電源電流是1 μA，最大偏置電壓1 mV，典型輸入偏移電流1 pA，提供軌對軌輸入和輸出，采用1.8 V ～ 5.5 V單電源或±0.9 V ～ ±2.75 V雙電源供電。
AD8641低功耗、軌對軌輸出結型場效應晶體管（JFET）放大器具有高輸入阻抗、高精密性能以及低成本，輸入阻抗大于681 kΩ。
AD7466是一款12-bit ADC，采用小型封裝，且功耗極低，3.6 V/50 kSPS時，功耗為480 μW。它采用6引腳SOT-23封裝。對于要求更寬動態范圍和更高信噪比的設計來說，AD7685 PulSAR? ADC可以提供16-bit分辨率，在2.5 V/100 kSPS時，功耗為1.35 mW，它采用3 mm × 3 mm QFN （LFCSP）封裝。
詳細資料：AD7466 12-bit ADC
另一種實現此信號鏈的方案是采用ADuC7022 取代ADC和MCU。功能框圖如下。ADuC7022內置16-bit/32-bit MCU，它在單芯片上集成了一個性能高達1 MSPS的ADC。ADC提供必要的動態范圍，以滿足醫用標準，檢測微弱的心電圖波形變化。ARM7架構包括32-bit寄存器，使它能夠對心電圖信號進 行實時FIR濾波。
功能框圖
ADuC70xx系列均為完全集成的1 MSPS、12位數據采集系統，在單芯片內集成高性能多通道ADC、16位/32位MCU和閃存/EE存儲器。
詳細資料：ADuC7022： 精密模擬微控制器
智能生活的最主要的目的之一，是通過先進的理念和技術，使人們生 活的更舒適更愜意。每個人因所處的環境不同，對“智能生活”的理解也各有不同， 村田制作所（中國）（以下簡稱村田）提出了“主動智能生活“概念，旨在以用戶為中心，在用戶意識到自己的需求之前，提前實現了所需的高品質生活， 這一過程中我們所能感覺的只是技術的貼心。其中，村田的主動智能醫療可以做到在身體還沒有做出反應之前，用精確的感知與科學的方式提取身體發出的信號并且 實現健康、舒適的生活。
心臟的防護衣：
近幾年的某項研究資料表 明，每13秒鐘心血管疾病就會奪去一個中國人的生命，;駕駛員疲勞駕駛導致多車連撞等事件的不斷頻發；這些無法預測的突發性疾病往往給治療帶來被動性，從 病發到處理產生的滯后可能隨時為生命安全造成直接威脅，而患者對于自身心臟健康狀況的不知情也為事故的發生多增添了一分風險。村田提倡的主動智能醫療是通 過無導聯非侵入方式感知人體心跳引起的機械振動， 提取出心率、泵血、心率變異性、呼吸率等與心血管疾病，消化系統疾病，免疫系統等健康狀況息息相關的指標，從而在疾病發生之前對健康狀況實時監測。村田推 出的這一“間接接觸BCG心臟沖擊掃描解決方案（以下簡稱，BCG方案）“，只要將BCG模塊搭載在人體可以接觸到的載體如床或椅子，它們就可以成為“健 康監測儀”。因此村田BCG方案可以將患病風險與幾率降到最低而且不會打亂人們的正常作息，即使是在工作狀態下也可以進行監測。
BCG 是Ballistocardiography的單詞縮寫，指非侵入式的通過圖形界面準確描繪心臟每次搏動所噴射的血液對于人體向上運動的作用的醫療技術。 BCG最早來自在20世紀30年代美國教授的發現，但受限于BCG信號極為微弱、難采集；同一時段信號多而雜，難辨別；當時技術水平和相關理論的缺乏、使 BCG僅存在于醫學院所和高端醫療機構。村田的BCG模塊中高可靠性、高精度MEMS加速度傳感器可以精確地檢測到人體的BCG信號。同時，在集成MCU 內搭載可處理加速度傳感器信號的FE、十進制計算方式。可以在床的移動、人體移動、翻轉等復雜信號中分析、處理并提取相應的生理指標如心率、泵血、心率變 異性、呼吸率等。 談到具體應用，在車內搭載BCG之后可以過檢測駕駛員的心臟狀態減少疲勞駕駛甚至車禍。目前，沃爾沃S80在后排座上集成了BCG功能，幫助車主檢測是否 有竊賊進入汽車或者是否忘記把嬰兒遺漏在車內等各種功能。
注*村田只對BCG的監測數據做收集，不做具體分析。
MEMS加速度傳感器
模塊化解決方案：
BCG心臟沖擊掃描解決方案的升級：
隨著移動互聯、智能城市等領域的不斷發展，遠程醫療也備受關注。一項全球研究顯示，如果全面實現遠程主動醫療監護，可將病人的醫療費用降低42%，看醫 生的時間間隔將延長71%。村田的BCG方案不僅對相關指標的提取精準度高，同時還支持無線通信功能，讓“遠程醫療”不再遙遠。村田BCG方案復合上無線 通信技術，在今后的養老院醫院的住院部等機構，只需服務臺的護士就可以實現各個床位人員的長期呼吸監測、翻身狀況以及睡眠質量檢測， 提高相關工作的效率，減少人力成本。我們也希望在未來，這套解決方案可以應用到更多的領域中。
相關經典參考設計方案：
?
工商網監
評論