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ADI公司《智能可穿戴医疗保健设备解决方案》

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标签: 可穿戴医疗保健ADI

ADI公司《智能可穿戴医疗保健设备解决方案》

简介:智能可穿戴医疗保健设备是传统医疗设备的延伸。通常的医院用医疗设备体型巨大、结构复杂且功耗很高,旨在用于高精度临床应用。随着传感器和半导体技术的发展,器件尺寸和功耗比原来小得多,使得可穿戴设备变为现实。医院临床使用的许多技术已从医院走向家庭,或者变为各种可穿戴设备。智能可穿戴医疗保健设备通常是无创式生命体征监护设备,易于使用和穿戴。为了提升用户体验,重量越轻、功耗越低越好。另外还要提供与其他消费电子设备的连接能力。

文档内容节选

Project Code APMWEARABLE2015 智能可穿戴医疗保健 设备解决方案 智能可穿戴医疗保健设备及典型架构 由于系统尺寸原因,电池大小有限 可穿戴医疗保健设备可定义为能够自动智能无创地执行特 低静态电流芯片有利于实现低功耗,延长待机时间 定医疗监控支持目的的设备可穿戴一词说明该设备要 可穿戴设备通常需要低功耗MCU 么直接佩戴于人体上,要么是一件类似于衣服的物品,并且具 有适当的设计,支持其用作可穿戴配件广义上讲,这要求该 设备具有极小的尺寸和重量,功能自主,自备电源,易于使 用,而且穿戴舒适 智能可穿戴医疗保健设备有多种类型,如腕带手表眼镜和 其他可穿戴类型执行的功能有计步器心率监测运动记 录生物电位测量生物阻抗测量血氧测量等等 智能可穿戴医疗保健设备是传统医疗设备的延伸通常的医院 可穿戴设备需要低功耗连接技术 X 人体工程学设计 易于使用 防止误操作的设计 高度可靠高灵敏度的传感器设计 X 高可靠性 适应各种环境 用医疗设备体型巨大结构复杂且功耗很高,旨在用于高精度 良好的机械设计,防止设备受损 临床应用随着传感器和半导......

Project Code: APM_WEARABLE_2015 智能可穿戴医疗保健 设备解决方案 智能可穿戴医疗保健设备及典型架构 • 由于系统尺寸原因,电池大小有限。 可穿戴医疗保健设备可定义为能够自动、智能、无创地执行特 • 低静态电流芯片有利于实现低功耗,延长待机时间。 定医疗监控、支持目的的设备。“可穿戴”一词说明该设备要 • 可穿戴设备通常需要低功耗MCU。 么直接佩戴于人体上,要么是一件类似于衣服的物品,并且具 有适当的设计,支持其用作可穿戴配件。广义上讲,这要求该 设备具有极小的尺寸和重量,功能自主,自备电源,易于使 用,而且穿戴舒适。 智能可穿戴医疗保健设备有多种类型,如腕带、手表、眼镜和 其他可穿戴类型。执行的功能有计步器、心率监测、运动记 录、生物电位测量、生物阻抗测量、血氧测量等等。 智能可穿戴医疗保健设备是传统医疗设备的延伸。通常的医院 • 可穿戴设备需要低功耗连接技术。 X 人体工程学设计。 • 易于使用。 • 防止误操作的设计。 • 高度可靠、高灵敏度的传感器设计。 X 高可靠性。 • 适应各种环境。 用医疗设备体型巨大、结构复杂且功耗很高,旨在用于高精度 • 良好的机械设计,防止设备受损。 临床应用。随着传感器和半导体技术的发展,器件尺寸和功耗 • 有时候设备需要防水。 比原来小得多,使得可穿戴设备变为现实。医院临床使用的许 多技术已从医院走向家庭,或者变为各种可穿戴设备。智能可 穿戴医疗保健设备通常是无创式生命体征监护设备,易于使用 和穿戴。为了提升用户体验,重量越轻、功耗越低越好。另外 还要提供与其他消费电子设备的连接能力。 设计考虑和主要挑战 X 尺寸非常重要。大部分可穿戴设备都很轻,而且尺寸越来 越小。 • 更小的封装。 • 采用先进封装技术以提高集成度。 • 外部元件越少越好。 X 超低功耗。 • 功耗对于用户体验至关重要,越低越好。 X 传感器技术。 • 多传感器融合。 • 选择具有良好生物兼容性的传感器材料。 • 低功耗下具有高灵敏度。 X 连接技术。 • 需要低功耗蓝牙、WIFI连接以访问其他智能设备。 • 数据同步和应用程序自动升级。 ADI公司的整体解决方案 ADI公司提供大量的高集成度AFE、运动传感器、低功耗MCU和 电源管理解决方案,使可穿戴设备的产品质量和可靠性达到最 佳程度。此外,ADI公司还提供评估板、仿真工具和应用专业技 术,为客户的设计和开发工作提供支持。 2 智能可穿戴医疗保健设备解决方案 主信号链 Sensor ECG AFE ADC SPI Optical AFE I2C Motion Sensor CapSense Sensor SPI I2C UART Wireless Antenna NFC MCU MCU USB USB or Socket I2S Audio Display Legend ADI Provided Not ADI 图1. 系统框图 注:上述信号链代表智能可穿戴医疗保健设备系统。在具体设计中,模块的技术要求可能不同,但下表列出的产品代表了满足部分要求的ADI 解决方案。 微处理器 ADuCM350/ ADuCM360 ECG AFE AD8232/ ADAS1000 光学AFE 运动传感器 电容传感器 模数转换器 ADPD142 ADXL345/ ADXL362 AD7147 AD7091R/ AD7124-4/ AD7915 无线 ADF7020/ ADF7024/ ADF7241 音频 SSM2518 1 欲了解关于ADPD142产品的更多信息,请联系ADI公司或代理商。 部件 微处理器 ADuCM350 ADuCM360 描述 优势 ADuCM350是一款完整的、纽扣电池供电的、高精密片上计量仪,适合便携式设备应用, 例如即时检测和用于监护生命体征的穿戴式设备。ADuCM350针对高精密恒电势器、电 流、电压和阻抗测量功能而设计。 ADuCM360是完全集成的3.9 kSPS、24位数据采集系统,在单芯片上集成双核高性能多通道 Σ-Δ型模数转换器(ADC)、32位ARM Cortex®-M3处理器和Flash/EE存储器。AduCM360设计面向 于紧密传感器系统及电池供电的系统。ADuCM361集成了ADuCM360的全部功能,不过它仅 有一个24位Σ-Δ ADC (ADC1)。 16位精密、低功耗片上计量仪,内置 Cortex-M3和连接能力 集成ARM Cortex-M3和双通道Σ-Δ型ADC的 低功耗精密模拟微控制器 请访问:analog.com/cn 3 部件 ECG AFE AD8232 ADAS1000 光学传感器 ADPD142 电容传感器 AD7147 模数转换器 AD7091R AD7915 AD7124-4 重力传感器 ADXL345 ADXL362 无线收发器 ADF7024 ADF7020 ADF7241 音频 SSM2518 描述 优势 AD8232是一款用于ECG及其他生物电测量应用的集成信号调理模块。该器件设计用于在具 有提取、放大及过滤微弱的生物电信号。该设计使得超低功耗模数转换器或嵌入式微控 制器能够轻松地采集输出信号。 ADAS1000能够测量心电图(ECG)信号、胸腔呼吸变化、起搏伪像、导联连接/脱落状态,并 将此信息以数据帧的形式输出,以可编程数据速率提供导联/矢量或电极数据。它具有低 功耗和小尺寸特性,适合电池供电的便携式应用。它还是一款高性能器件,因此适用于 高端诊断设备。 单导联心率监护模拟前端 低功耗、5电极心电图模拟前端, 提供呼吸测量和脉搏检测 ADPD142RG/ADPD142RI是完整的光度测量系统,设计用于激励LED并测量相应的光学返回信 号。这些系统具有同类最佳的环境光干扰抑制性能,包括直流和交流。每个模块包含一 个高效率光度测量前端、两个LED和一个光电二极管。前端由控制模块、带20位累加器的 模数转换器和两个灵活的独立配置LED驱动器组成。模拟前端(AFE)在单独的数据路径上处 理各LED的返回数据,并且可以选择不同的AFE设置。数据输出和功能配置通过一个1.8 V I2C接口进行。 控制电路包括灵活的LED信号传输和同步检测。 低功耗、高精度、设计简单,集成模块 的设计能够简化用户的机构设计,适合 心率测量和SPO2 AD7147 CapTouch™控制器设计用于电容式传感器,以实现按钮、滚动条和滚轮等功能。这 种传感器只需一层PCB板,为超薄型应用创造了可能。 CapTouch单电极电容式传感器专用可编 程控制器 AD7091R是一款12位逐次逼近模数转换器,可在高吞吐速率(50 MHz SCLK时为1 MSPS)下实 现超低功耗(3 V和1 MSPS时典型值为349 µA)。它采用先进的设计和信号处理技术,可在高 吞吐速率下实现极低功耗。 该器件还提供精确的2.5 V片内基准电压。 AD7915/AD7916是16位、逐次逼近型模数转换器,采用单电源VDD供电。器件内置一个低功 耗、高速、16位采样ADC和一个多功能串行接口端口。在CNV上升沿,AD7915/AD7916对IN+ 与IN−引脚之间的电压差进行采样。 这两个引脚上的电压摆幅通常在0 V至VREF之间、相位 相反。 AD7124-4是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端。该器件内置一 个低噪声24位Σ-Δ型模数转换器,可配置来提供4个差分输入或7个单端或伪差分输入。片 内低噪声级确保ADC中可直接输入小信号。 1 MSPS、超低功耗、12位ADC、内置 片内基准电压源、采用10引脚LFCSP和 MSOP封装 16位、1 MSPS/500 kSPS PulSAR ADC, 采用MSOP/LFCSP封装 集成PGA和基准电压源的4通道、低噪 声、低功耗24位Σ-Δ型ADC ADXL345是一款小而薄的低功耗3轴加速度计,分辨率高(13位),测量范围达±16 g。数字输 出数据为16位二进制补码格式,可通过SPI (3线式或4线式)或I2C数字接口访问。 ADXL362是一款超低功耗、3轴MEMS加速度计,输出数据速率为100 Hz时功耗低于2 μA, 在运动触发唤醒模式下功耗为270 nA。与使用功率占空比来实现低功耗的加速度计不 同,ADXL362没有通过欠采样混叠输入信号;它采用全数据速率对传感器的整个带宽进行 采样。 3轴、±2 g/±4 g/±8 g/±16 g数字加速度计 微功耗、3轴、±2 g/±4 g/±8 g数字输出 MEMS加速度计 ADF7024是一款超低功耗、集成收发器,用于免执照ISM频段433 MHz、868 MHz和915 MHz。 该器件简单易用,而且性能很高,适合各种各样的无线应用。ADF7024适用于符合欧洲 ETSI EN 300 220、北美FCC Part 15.247和15.249及其他类似监管标准的工作环境。 ADF7020是一款低功耗、低中频收发器,在免执照ISM频段433 MHz、868 MHz和915 MHz工 作。它适合满足欧洲ETSI EN 300 220或北美FCC Part 15.247和15.249监管标准的电路应用。 ADF7241是一款高集成度、低功耗、高性能收发器,在全球通用的2.4 GHz ISM频段工作。 其设计注重灵活性、稳定性、易用性和低功耗特性。在数据包和数据流两种模式下,该IC 均支持IEEE 802.15.4-2006 2.4 GHz PHY要求。 易用、低功耗、次GHz、ISM/SRD、FSK/ GFSK收发器IC ISM频段收发器IC 低功耗IEEE 802.15.4零中频2.4 GHz 收发器IC SSM2518是一款内置数模转换器(DAC)和Σ-Δ D类调制器的数字输入D类功率放大器。它采用 独特架构,处理数字音频源时实际功耗极低,同时又具备出色的音频性能。SSM2518特别 适合对功耗敏感的应用,例如移动电话和便携式媒体播放器,这些情况下系统噪声会破 坏小模拟信号,比如发送至模拟输入音频放大器的信号。 数字输入、2 W、D类立体声音频功率 放大器 2 欲了解关于ADPD142产品的更多信息,请联系ADI公司或代理商。 4 智能可穿戴医疗保健设备解决方案 USB Battery 图2. 电源解决方案 Battery Charger LDO MCU Legend ADI Provided Not ADI DC-to-DC Buck Digital Devices DC-to-DC Boost LCD 电池充电器 ADP5090/ADP5061 LDO ADP160/ADP165 DC-to-DC降压 ADP5301/ADP2102 DC-to-DC升压 ADP1607/ADP1612 DC-to-DC降压/升压 ADP2503/ADP2504 部件 电池充电器 ADP5061 ADP5090 LDO ADP160/ ADP165 描述 优势 ADP5061充电器完全符合USB 3.0和USB电池充电规格1.2,可通过mini-USB VBUS引脚从墙壁 充电器、车载充电器或USB主机端口进行充电。ADP5061输入电压范围为4 V至6.7 V,最高 可耐受20 V电压。充分的设计余量能够缓解断开或连接时的USB总线尖峰问题 ADP5090是一款集成式升压调节器,可转换PV电池或TEG的直流电源。该器件可对储能元件 (如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容)进行充电,并对小型电子设备和 无电池系统上电。ADP5090提供有限采集能量(从16 μW到200 mW范围)的高效转换,工作损 耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路,调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启 动后,调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作 具有电源路径和USB模式兼容性的微型 I2C可编程线性电池充电器 超低功耗升压调节器,集成MPPT和电 荷管理功能 ADP160/ADP165是一款超低静态电流、低压差线性稳压器,采用2.2 V至5.5 V电源供电,最大 输出电流为150 mA。在150 mA负载下压差仅为195 mV,不仅可提高效率,而且能使器件在 很宽的输入电压范围内工作 超低静态电流、150 mA CMOS线性 调节器 DC-to-DC降压转换器 ADP5301 ADP2102 ADP5301是一款高效率、超低静态电流降压稳压器,其用于调节零负载输出的静态电流仅 为180 nA ADP5301的输入启动电压范围为2.15 V至6.50 V,因此可使用多个碱性或NiMH、锂离 子电池或其他电源。0.8 V至5.0 V输出电压通过外部VID电阻和工厂熔丝可选。整个解决方案 仅需四个小型外部元件 ADP2102是一款同步降压dc-dc转换器,可在最高95%的效率和1%的精度下将2.7 V至5.5 V未 调节输入电压转换为更低的调节输出电压。ADP2102的低占空比能力非常适合USB应用或为 亚微米次伏特(subvolt)处理器内核供电的5 V系统。3 MHz的典型工作频率和出色的瞬态响应 允许该器件使用小型低成本1 μH电感和2.2 μF陶瓷电容 50 mA/500 mA、高效率、超低功耗 降压稳压器 低占空比、600 mA、3 MHz同步降压 dc-to-dc转换器 DC-to-DC升压转换器 ADP1607 ADP1612 ADP1607是一款高效、同步、固定频率、升压dc-dc开关转换器,能够提供介于1.8 V和3.3 V 之间的可调输出电压,适合便携式应用2 MHz的工作频率支持使用小尺寸、薄型外部元 件。此外,凭借同步整流、内部补偿、内部固定限流和电流模式架构可确保出色的瞬态 响应和最少的外部器件数量 ADP1612/ADP1613均为升压dc-dc开关转换器,集成了功率开关,能够提供高达20 V的输出电 压。两款器件的封装高度均不到1.1 mm,特别适合空间受限的应用,例如便携式设备或薄 膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)等 DC-to-DC降压/升压转换器 2 MHz、同步升压dc-dc转换器 dc-to-dc开关转换器,电流限值为1.4 A ADP2503/ ADP2504 ADP2503/ADP2504均为高效率、低静态电流、升压/降压dc-dc转换器,工作时的输入电压可 高于、低于或等于稳压输出电压。这两种转换器内置功率开关和同步整流器,所需的外 部器件数量极少。对于高负载电流,这些器件采用电流模式、固定频率、脉冲宽度调制 (PWM)控制方案,以便获得出色的稳定性和瞬态响应 600 mA、2.5 MHz降压/升压dc-to-dc 转换器 设计资源 请访问:analog.com/cn 5 参考电路 X 电池供电病人监护应用中ECG前端的供电 (CN0308)— www.analog.com/cn/cn-0308 X 用于工业信号电平的精密24位、250 kSPS单电源Σ-Δ型ADC系统 (CN0310)— www.analog.com/cn/cn-0310 X 制器ADuC7024相连的数字加速度计ADXL345检测低g加速度 (CN0133)— www.analog.com/cn/cn-0133 X 超低功耗独立运动开关 (CN0274)— www.analog.com/cn/cn-0274 X 利用运算放大器ADA4505-2、并联基准电压源ADR1581和开关ADG1636实现精密脉搏血氧仪LED吸电流 (CN0125)— www.analog.com/cn/cn-0125 X 具有暗电流补偿功能的2 MHz带宽PIN光电二极管前置放大器 (CN0272)— www.analog.com/cn/cn-0272 应用笔记/文章 X 多生理参数病人监护 (MS-2126)— www.analog.com/cn/ms-2126.pdf X ECG设计挑战的应对策略 (MS-2160)— www.analog.com/cn/ms-2160.pdf X 医疗保健应用中的电源管理 (MS-2569)— www.analog.com/cn/ms-2569.pdf X CareFusion与ADI之间的探讨:优化EEG放大器的性能并降低功耗 (MS-2178)— www.analog.com/cn/ms-2178.pdf X 芯片级封装有助于便携式医疗设备减小尺寸并减轻重量 (MS-1908)— www.analog.com/cn/ms-1908.pdf X ECG/EEG/EMG系统中的生物电位电极传感器— www.analog.com/en/ecg-eeg-emg_final.pdf X 传感器电路的低噪声信号调理 (MS-2066)— www.analog.com/cn/ms-2066.pdf 设计工具/论坛 X ADC • VisualANALOG™软件— www.analog.com/cn/visual analog • ADC SPI接口软件(SPI控制器)— www.analog.com/cn/spicontroller X 放大器 • DiffAmpCalc™:差分放大器计算器— www.analog.com/cn/diffampcalc X PMP • ADIsimPower™:电源管理产品— www.analog.com/cn/ADIsimPower 欲查看其他医学资源、工具和产品信息,请访问: www.analog.com/cn/healthcare
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