Maxim Integrated 的 MAXM86146 生物傳感模塊采用 4.5 x 4.1 x 0.88 毫米 (mm) 38 引腳封裝，是一款直接替代式解決方案，旨在幫助加快開發(fā)電池供電型緊湊型健康與保健可穿戴設備。為了同時滿足對延長電池續(xù)航時間和生物傳感功能的需求，該模塊在將功耗降至最低的同時，保持著對心率和 SpO2 的快速準確測量。

除了兩個集成光電二極管，該模塊還包括 Maxim Integrated 的 MAX86141 雙通道光學模擬前端 (AFE) 和基于?Arm?Cortex-M4 的微控制器，后者是 Maxim Integrated 的 MAX32660 Darwin 微控制器的生物傳感優(yōu)化版（圖 1）。

圖 1：Maxim Integrated 的 MAX86146 生物傳感模塊在緊湊型封裝中集成了光學 AFE、微控制器和光電二極管。（圖片來源：Maxim Integrated）

集成式 MAX86141 每秒采集 25 個樣本 (sps) 時，功耗僅為 10 微安 (μA)，它提供了一個綜合光學 AFE 子系統(tǒng)，旨在控制用于測量心率和 SpO2 的多個發(fā)光二極管。光學心率監(jiān)測器通常使用光電容積描記法 (PPG)，可監(jiān)測與每次心臟搏動相關的外周血容量變化。對于這種測量，這些設備通常使用波長為 540 納米 (nm) 的綠光，這種光會被血液吸收，并且由于綠光穿透組織的深度比許多其他波長要淺，所以產(chǎn)生的偽影比較少。光學脈搏血氧計使用紅色?LED（通常為 660 nm）和紅外?(IR) LED（通常為 940 nm）來測量血紅蛋白和脫氧血紅蛋白之間的吸收差異，這是光學 SpO2 測量法的基礎技術（請參閱利用現(xiàn)成元器件設計低成本脈搏血氧儀）。

為了執(zhí)行這些光學測量，開發(fā)人員必須確保光電二極管信號采集與來自相應 LED 的光輸出脈沖精確同步。MAXM86146 模塊集成的 MAX86141 AFE 提供了獨立的信號鏈，分別用于 LED 控制和光電二極管信號采集。在輸出端，AFE 包括三個大電流、低噪聲 LED 驅動器，可將脈沖傳輸?shù)接糜谛穆蕼y量的綠色 LED 以及用于 SpO2 測量的紅色和紅外 LED。在輸入端，AFE 提供兩個光電二極管信號采集通道，每個通道都有一個專用的 19 位模數(shù)轉換器?(ADC)。這兩個讀出通道可以單獨操作，也可以組合使用，以提供更大的輻射面積。

為控制 AFE LED 和光電二極管信號鏈，板載微控制器上運行的固件可調整 AFE 設置，以最大程度提高信噪比 (SNR) 并降低功耗。隨著環(huán)境光的變化，集成式 MAX86141 中內(nèi)置的環(huán)境光校正 (ALC)?電路會對光照條件的逐漸變化作出響應。但是，在某些情況下，例如當用戶在陰影區(qū)域和明亮的陽光間快速穿過時，環(huán)境光可能會快速變化，從而導致 ALC 故障。考慮到這種常見的情況，MAX86141 加入了柵欄檢測和替換功能。在這里，該器件會識別環(huán)境測量值與先前樣本的較大偏差，并將個別外圍環(huán)境光數(shù)據(jù)樣本替換為與環(huán)境水平相對緩慢變化相一致的外推值。

由于該模塊的微控制器使用其固件來管理 AFE 操作，因此執(zhí)行精確的心率和 SpO2 測量所需的詳細操作對于開發(fā)人員來說是透明的。該模塊使用固件設置自動執(zhí)行這些測量，將原始數(shù)據(jù)和計算結果存儲在先進先出 (FIFO) 緩沖區(qū)中，供系統(tǒng)主處理器通過模塊的?I2C?串行接口訪問。

MAX86146 如何簡化可穿戴設備的硬件設計

憑借廣泛的集成功能，MAX86146 生物傳感模塊只需要相對較少的額外元器件，就可以完成能夠提供精確心率和 SpO2 測量的設計。若要同步進行心率和 SpO2 測量，MAX86146 可以與外部低噪聲模擬多路復用器集成，例如連接到分立式綠色、紅色和紅外 LED 的 Maxim Integrated MAX14689?開關（圖 2）。

圖 2：要同步執(zhí)行心率和 SpO2 測量，除了合適的 LED、模擬多路復用器（MAX14689，左側）和加速計，Maxim Integrated 的 MAX86146 生物傳感模塊幾乎不需要其他元器件，就可以在測量的同時檢測運動。（圖片來源：Maxim Integrated）

此外，MAXM86146 還設計成使用來自三軸加速計的運動數(shù)據(jù)，以在心率測量期間校正用戶的運動，并在 SpO2 測量期間檢測運動，后者需要用戶在測量的短時間內(nèi)保持靜止狀態(tài)。在這里，開發(fā)人員可以將固件支持的加速計直接連接到 MAXM86146 的 SPI?端口，或者將通用加速計連接到主機處理器。

主機連接選項為器件選擇提供了更大的靈活性，只需要一個通用三軸加速計，例如 Memsic 的 MC3630，采樣速度可達 25 sps。盡管如此，開發(fā)人員仍需要確保加速計數(shù)據(jù)與心率數(shù)據(jù)采樣同步。為此，板載微控制器根據(jù)需要對加速計樣本進行內(nèi)部抽取或插補，以補償心率數(shù)據(jù)和加速計數(shù)據(jù)之間的漂移。

快速啟動 MAXM86146 評估和快速原型開發(fā)

雖然 MAXM86146 簡化了系統(tǒng)硬件設計，但對于希望評估 MAXM86146 或快速開發(fā)其應用原型的開發(fā)人員來說，他們可以跳過硬件設計，通過 MAXM86146EVSYS 評估系統(tǒng)立即開始使用該器件。MAXM86146EVSYS 通過?USB?或 3.7 V 鋰聚合物 (LiPo) 電池供電，包括一個基于 MAXM86146 的 MAXM86146_OSB?光學傳感器板 (OSB)，并通過軟線連接到支持低功耗藍牙?(BLE) 的 MAXSensorBLE 主數(shù)據(jù)采集板（圖 3）。

圖 3：Maxim Integrated 的 MAXM86146EVSYS 評估系統(tǒng)包括支持 BLE 的主處理器板和基于 MAXM86146 的傳感器板（用軟線連接）。（圖片來源：Maxim Integrated）

MAXSensorBLE 板集成了 Maxim Integrated 的 MAX32620 主機微控制器，以及 Nordic Semiconductor 的 NRF52832 藍牙微控制器。實際上，MAXSensorBLE 板可作為支持 BLE 的可穿戴式設計的完整參考設計。除了支持有源和無源元器件外，MAXSensorBLE 板設計還配備 Maxim Integrated 的 MAX20303?電源管理集成電路?(PMIC)，該電路專為延長可穿戴設備的電池續(xù)航時間而設計。

MAXM86146_OSB 光學傳感器板將 MAXM86146 生物傳感模塊與 MAX14689 模擬開關和同步執(zhí)行心率和 SpO2 測量所需的整套 LED 組合在一起。此外，該板集成了一個支持固件的三軸加速計，直接連接到 MAXM86146 模塊。

要使用 MAXM86146EVSYS 評估系統(tǒng)評估 MAXM86146 模塊，開發(fā)人員使用 USB-C 或 LiPo 電池為系統(tǒng)供電，并根據(jù)需要將 BLE USB 加密狗插入運行 Maxim Integrated MAXM86146 EV 系統(tǒng)軟件應用程序的個人計算機。該 Windows 應用程序提供了一個圖形用戶界面 (GUI)，讓開發(fā)人員能夠輕松修改 MAXM86146 設置，并能立即觀察以數(shù)據(jù)曲線圖形式呈現(xiàn)的結果。除了提供對 MAXM86146?寄存器的訪問，該 GUI 還提供了直觀菜單，以供設置不同的操作模式和配置。例如，開發(fā)人員可以使用 GUI 模式選項卡設置不同的 LED 序列（圖 4，上圖），使用 GUI 配置選項卡將這些 LED 序列應用于心率和 SpO2 測量（圖 4，下圖）。

圖 4：Maxim Integrated 的 MAXM86146 EV 系統(tǒng)軟件 GUI 允許開發(fā)人員通過定義不同的操作模式來評估 MAXM86146 的性能，例如定義 LED 序列（上圖），然后將這些序列應用于心率和 SpO2 測量（下圖）。（圖片來源：Maxim Integrated）。

對于自定義軟件開發(fā)，Maxim Integrated 提供了 MAXM86146 適用的可穿戴設備 HRM 和 SpO2 算法軟件包。由于 MAXM86146 使用其集成微控制器固件提供心率和 SpO2 測量，因此從設備提取數(shù)據(jù)的過程非常簡單。Maxim Integrated 軟件包演示了初始化設備，最后從 MAXM86146 FIFO 讀取數(shù)據(jù)并解析出各個數(shù)據(jù)項的過程（清單 1）。

typedef struct{
   uint32_t green_led_cnt;
   uint32_t ir_led_cnt;
   uint32_t red_led_cnt;
   uint32_t hr;
   uint32_t hr_conf;
   uint32_t spo2;
   uint32_t spo2_conf;
   uint32_t scd_state;
} mes_repor_t;
 
typedef struct {
   uint32_t led1;
   uint32_t led2;
   uint32_t led3;
   uint32_t led4;
   uint32_t led5;
   uint32_t led6;
} max8614x_mode1_data;
 
typedef struct {
   int16_t x;
   int16_t y;
   int16_t z;
} accel_mode1_data;
 
typedef struct __attribute__((packed)){
   uint8_t current_operaTIng_mode; // mode 1 & 2
   // WHRM data
   uint16_t hr;                  // mode 1 & 2
   uint8_t hr_conf;              // mode 1 & 2
   uint16_t rr;                  // mode 1 & 2
   uint8_t rr_conf;              // mode 1 & 2
   uint8_t acTIvity_class;       // mode 1 & 2
   // WSPO2 data
   uint16_t r;                   // mode 1 & 2
   uint8_t spo2_conf;            // mode 1 & 2
   uint16_t spo2;                // mode 1 & 2
   uint8_t percentComplete;      // mode 1 & 2
   uint8_t lowSignalQualityFlag; // mode 1 & 2
   uint8_t moTIonFlag;           // mode 1 & 2
  uint8_t lowPiFlag;            // mode 1 & 2
   uint8_t unreliableRFlag;      // mode 1 & 2
   uint8_t spo2State;            // mode 1 & 2
   uint8_t scd_contact_state;
} whrm_wspo2_suite_mode1_data;
 
void execute_data_poll( mes_repor_t* mesOutput ) {
 
[deleted lines of code]
 
  status = read_fifo_data(num_samples, WHRMWSPO2_FRAME_SIZE, &databuf[0], sizeof(databuf));
  if(status == SS_SUCCESS &&  num_samples > 0 && num_samples < MAX_WHRMWSPO2_SAMPLE_COUNT){  
 
  max8614x_mode1_data             ppgDataSample;
    accel_mode1_data                accelDataSamp;
    whrm_wspo2_suite_mode1_data     algoDataSamp;
 
    int sampleIdx = 0;
    int ptr =0;
    while( sampleIdx < num_samples ) {
 
      ppgDataSample.led1                 = (databuf[ptr+1] << 16) + (databuf[ptr+2] << 8) + (databuf[ptr+3] << 0);
      ppgDataSample.led2                 = (databuf[ptr+4] << 16) + (databuf[ptr+5] << 8) + (databuf[ptr+6] << 0);
      ppgDataSample.led3                 = (databuf[ptr+7] << 16) + (databuf[ptr+8] << 8) + (databuf[ptr+9] << 0);
      ppgDataSample.led4                 = (databuf[ptr+10] << 16)+ (databuf[ptr+11] << 8)+ (databuf[ptr+12] << 0);
      ppgDataSample.led5                 = (databuf[ptr+13] << 16)+ (databuf[ptr+14] << 8)+ (databuf[ptr+15] << 0);
      ppgDataSample.led6                 = (databuf[ptr+16] << 16)+ (databuf[ptr+17] << 8)+ (databuf[ptr+18] << 0);
      accelDataSamp.x                    = (databuf[ptr+19] << 8) + (databuf[ptr+20] << 0);
      accelDataSamp.y                    = (databuf[ptr+21] << 8) + (databuf[ptr+22] << 0);
      accelDataSamp.z                    = (databuf[ptr+23] << 8) + (databuf[ptr+24] << 0);
      algoDataSamp.current_operaTIng_mode= (databuf[ptr+25]);
      algoDataSamp.hr                    = (databuf[ptr+26] << 8) + (databuf[ptr+27] << 0);
      algoDataSamp.hr_conf               = (databuf[ptr+28]);
      algoDataSamp.rr                    = (databuf[ptr+29] << 8) + (databuf[ptr+30] << 0);
      algoDataSamp.rr_conf               = (databuf[ptr+31]);
      algoDataSamp.activity_class        = (databuf[ptr+32]);
      algoDataSamp.r                     = (databuf[ptr+33] << 8) + (databuf[ptr+34] << 0);
      algoDataSamp.spo2_conf             = (databuf[ptr+35]);
      algoDataSamp.spo2                  = (databuf[ptr+36] << 8) + (databuf[ptr+37] << 0);
      algoDataSamp.percentComplete       = (databuf[ptr+38]);
      algoDataSamp.lowSignalQualityFlag  = (databuf[ptr+39]);
      algoDataSamp.motionFlag            = (databuf[ptr+40]);
      algoDataSamp.lowPiFlag             = (databuf[ptr+41]);
      algoDataSamp.unreliableRFlag       = (databuf[ptr+42]);
      algoDataSamp.spo2State             = (databuf[ptr+43]);
      algoDataSamp.scd_contact_state     = (databuf[ptr+44]);
 
      mesOutput->green_led_cnt           = ppgDataSample.led1;
      mesOutput->ir_led_cnt              = ppgDataSample.led2;
      mesOutput->red_led_cnt             = ppgDataSample.led3;
      mesOutput->hr                      = algoDataSamp.hr / 10;
      mesOutput->hr_conf                 = algoDataSamp.hr_conf;
      mesOutput->spo2                    = algoDataSamp.spo2 / 10;
      mesOutput->spo2_conf               = algoDataSamp.spo2_conf;
      mesOutput->scd_state               = algoDataSamp.scd_contact_state;
 
   /* printf(" greenCnt= %d , irCnt= %d , redCnt = %d ,"
                     " hr= %d , hr_conf= %d , spo2= %d , spo2_conf= %d , skin_contact = %d \r\n"
                     , mesOutput->green_led_cnt , mesOutput->ir_led_cnt , mesOutput->red_led_cnt
                     , mesOutput->hr , mesOutput->hr_conf , mesOutput->spo2 , mesOutput->spo2_conf , mesOutput->scd_state);
         */            
[deleted lines of code]

清單 1：Maxim Integrated 的軟件包一段代碼展示了從生物傳感模塊提取測量值和其他數(shù)據(jù)的基本技術。（代碼來源：Maxim Integrated）

清單 1 演示了如何使用 C 語言例程 execute_data_poll() 從 MAXM86146 返回一些心率和 SpO2 讀數(shù)。在這里，該代碼將設備的 FIFO 讀入本地緩存 databuf，然后將 databuf 的內(nèi)容映射到幾個不同 C 語言軟件結構的實例。除了將配置數(shù)據(jù)和其他元數(shù)據(jù)存儲到這些結構實例中，該例程最后還在 mesOutput（mes_repor_t 結構的一個實例）中提供心率和 SpO2 測量值。開發(fā)人員只需取消對最后 printf 語句的注釋，即可在控制臺上顯示結果。

為了實現(xiàn)健康與保健可穿戴設計，MAXM86146 的軟硬件大幅簡化了開發(fā)。但是，對于旨在獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA) 批準的設備，開發(fā)人員必須進行適當?shù)?u>測試，以驗證最終產(chǎn)品的 FDA 級性能。雖然 Maxim Integrated 的 MAXM86146 及其嵌入式算法提供了 FDA 級測量性能，但開發(fā)人員需要確保整個系統(tǒng)滿足 FDA 的性能要求，而不僅僅是傳感器滿足該要求。