基于AMS AS7000動態心率測量智能手環

圖3    三軸加速度傳感器LIS3DH最小系統原理圖
芯片10管腳BTMS：電池電壓輸出引腳，分壓之后一般 用來檢測電池端電壓。
芯片11管腳BATSNS：電池正極。
芯片12管腳BAT：電池正極。
1.2   三軸加速度傳感器
方案中， 我們用了2個三軸加速度傳感器， 其中一個 三軸加速度傳感器是做運動記錄的，我們可以使用傳感器 做計步、睡眠等算法；而另外一個三軸加速度傳感器是和 AS7000配合做動態心率檢測功能的。三軸加速度我們使用 的是意法半導體的LIS3DH，工作電流消耗最低位2uA，這款
3×3×1mm的加速度傳感器最適合運動感應功能、空間和功 耗受限的應用設計，特別適合智能手環上的應用。LIS3DH 在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范圍內，LIS3DH可提供非常 準確的測試數據輸出，在額定溫度和長時間工作下，仍能保 持卓越的穩定性。本方案中，我們會使用LIS3DH完成計步功能的實現。計步器是一種日常鍛煉進度監
控器，可以計算人們行走的步數，估計行走 距離、消耗的卡路里，方便人們隨時監控自 己的健身強度、運動水平和新陳代謝。
如圖3所示，芯片4、6是作為I2C通訊引 腳，分別是對于I2C的時鐘線和數據線。
芯片第7引腳是LIS3DH芯片從機地址的 選擇，接地代表本機從機7位地址是0x18，芯 片第8引腳接高電平，代表選擇的是I2C通訊 接口，如果接地代表選擇SPI通訊接口。
芯片9、11管腳：分別對應三軸傳感器 的中斷信號輸出引腳，一般用于數據緩存溢 出時的給MCU端的中斷信號，有利于我們在 做計步算法 的時候管理MCU的功耗。
1.3  AS7000動態心率檢測系統
心 率 我 們 采 用 了 A M S 的 心 率 檢 測 芯 片 AS7000，該產品包含了高度集成的光學傳感 器和相關軟件算法。它可提供行業領先的高 精度光學心率測量(HRM)和心率變化(HRV) 測量。 A S 7 0 0 0 的運作基于光電容積脈搏波 描記法（PPG）。心臟收縮和擴張時流經血 管血量的變化會引起血管的擴張及收縮從而 對光產生調制，通過測量該調制光可測得心 率。與產生原始PPG數據的現有光學AFE不
同， AS7000集成的微處理器可運行艾邁斯半導體開發的特 殊算法，將PPG數據轉換成HRM和HRV值。它內部集成了2 個綠色LED、光敏器件、模擬前段(AFE)、微處理器M0以及 HRM算法，它能實現高精度的測試，不管我們是在跑步、 騎車，AS7000低噪聲和高靈敏度的模擬電路，算法結合加 速度傳感器，過濾虛假心跳PPG信號。同時，心率監督在智 能手環上的應用特別要考慮它的功耗問題，AS7000在心率 連續測試模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在測試待 機模式下，可以降低到0.8uA。
AS7000的芯片內部已經集成了心率采樣算法，所以我 們只要通過I2C接口去讀取數據。
如圖4所示，其中第13、14引腳是和Host主機端的I2C通 訊引腳。
第7、8引腳是AS7000的SWD仿真接口，AS7000內部是 一個M0內核的MCU，主要用于心率算法的處理。其中第8

圖4   AS7000原理
引腳 GPIO8是控制AS7000芯片是否進入待機模式，GPIO8輸 出高電平，AS7000待機；GPIO8輸出低電平，AS7000正常運 行模式。
第11、12引腳是AS7000和LIS3DH的I2C通訊引腳，主要 是因為AS7000在實現動態心率測試的時候，需要過濾掉運 動時產生的干擾。
第16引腳是GPIO5，在動態心率算法的時候，AS7000 需要三軸加速度傳感器數據，第一種是可以像本方案這樣單 獨掛一顆三軸加速度傳感器，另外一種是可以向主機請求三 軸加速度數據。GPIO5就是在第二種方式的時候使用到的。 但是考慮到三軸加速度的同步性問題，我們一般推薦第一種 方式。
第3引腳，是Sigref引腳，AS7000的SWD功能是內部可 以關閉的， 當我們關閉S WD時， 我們需要在A S7000的上 電前，把Sigref引腳接到地，此時從上電之后的5s時間內， SWD是活躍的，可以通過SWD接口實現對AS7000的程序燒 寫功能。
第1、2、17、18引腳是AS7000 LED燈的電源，我們最 好的設計是需要一顆DC/DC升壓到4V供電，為了確保足夠 大的LED電流，同時要注意的是DC/DC需要有一個EN使能 信號腳，用于控制功耗使用。本方案中我們是直接使用電池 電壓作為電源，在測試中我們需要注意在電池電壓3.6V以上 測試效果比較理想。同時我也使用了一個MOS管去控制整 個電源的導通或截止。
1.4 觸摸
我們選擇的是CY的SoC藍牙芯片CYBL10573，它內部集 成了Capacitive Sigma-Delta(CSD)模塊，可以提供一流的信噪 比和防水性能，所有GPIO都支持CapSense，使用靈活，并且支持單指和雙指觸摸應用。