可穿戴設備具有改變健康和醫(yī)療監(jiān)控的潛力。具體而言，心率在活動和休息期間提供對心臟功能和健康的巨大洞察力。光學半導體和低功率集成電路的創(chuàng)新和發(fā)展使得可穿戴設備的過渡成為可能。到目前為止，只有具有深度開發(fā)預算的大型組織才能提供這樣的高級產(chǎn)品。

Maxim MAXREFDES117＃為所有開發(fā)人員提供可穿戴設備的承諾。這種獨特的設計可測量心率和脈搏血氧飽和度。 MAXREFDES117＃采用MAX30102，集成紅色和紅外LED，用于心率和SpO2檢測。這種配置理想地檢測人的指尖，耳垂或其他肉質(zhì)末端的心率和脈搏牛。小板尺寸為12.7 mm x 12.7 mm（0.5 in x 0.5 in），是可穿戴應用的理想選擇，可以縫合到織物中進行即時原型設計。固件可用于Arduino和mbed平臺，使用戶幾乎可以在任何平臺上進行開發(fā)。用戶需要提供2 V至5.5 V電源，能夠提供1.5 mA（典型值為3.3 V輸入），幾乎適用于任何電池或Arduino和mbed外形板。

MAXREFDES117 #design采用心率/SpO2傳感器（MAX30102），一個高效的低功耗降壓轉(zhuǎn)換器（MAX1921）和一個精確的電平轉(zhuǎn)換器（MAX14595）。當使用示例固件時，整個設計通常工作在低于5.5 mW。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：MAXREFDES117＃參考設計框圖。

注意：控制器板單獨供電。

MAXREFDES117＃參考設計是基于PPG的心率和SpO2監(jiān)測子系統(tǒng)。該電路采用MAX30102心率/SpO2傳感器，集成紅色和紅外LED。降壓轉(zhuǎn)換器MAX1921將2 V轉(zhuǎn)換為5.5 V電源輸入，并為心率傳感器生成1.8 V電壓軌。 MAX14595電平轉(zhuǎn)換器在心率/SpO2傳感器和控制器板之間提供接口，通常使用不同的邏輯電平。

固件的詳細說明

MAXREFDES117＃can幾乎任何具有I 2 C接口的微控制器都可以使用。 Arduino和mbed示例固件已在以下開發(fā)平臺上進行了測試：

mbed：

Maxim Integrated MAX32600MBED＃

NXP FRDM-K64F

NXP FRDM-KL25Z

Arduino：

Adafruit Flora

SparkFun Lilypad USB

< li> Arduino UNO

用戶可以通過終端程序讀取采樣數(shù)據(jù)，計算心率和SpO2，從而可以對excel或任何第三方軟件進行分析。簡單的流程如圖2所示。

圖2：MAXREFDES117＃固件流程圖。

提供完整的源代碼，包括心率/SpO2算法，以加速開發(fā)。代碼文檔可以在相應的固件平臺文件（Arduino Platform或mbed Platform）中找到。

心率準確度因所選平臺而異。經(jīng)過測試的mbed平臺比測試的Arduino平臺提供更準確的心率/SpO2計算，因為mbed平臺控制器比Arduino平臺控制器擁有更多的SRAM。對于示例固件，mbed平臺存儲以100 sps收集的5秒樣本，而Arduino平臺存儲以25 sps收集的4秒樣本。

SpO2計算基于如下所示的等式。然而，確定常數(shù)（C1，C2和C3）需要使用該硬件對來自統(tǒng)計學上顯著的群體的脈搏血氧測量數(shù)據(jù)進行全面的臨床研究。這種臨床研究超出了本設計的范圍。因此，計算的SpO2值可能有誤差。

SpO2 = C1×AverageRatio 2 + C2×AverageRation + C3

其中AverageRatio是平均比率IR和紅色LED讀數(shù)。 C1，C2和C3是常量。

MAXREFDES117 #mbed快速入門指南

所需設備：

帶USB端口的Windows PC

MAXREFDES117＃board

將MAXREFDES117＃連接到控制器板的5條線

之前列出的三個支持的控制器板之一（Maxim Integrated MAX32600MBED＃，恩智浦FRDM-KL25Z或NXP FRDM-K64F）

一根micro USB線（適用于MAX32600MBED＃和FRDM-K64F）

一根迷你USB線（用于FRDM-KL25Z）

程序：

參考設計已完全組裝和測試。請按照以下步驟驗證電路板操作：

在http://developer.mbed.org上創(chuàng)建一個帳戶以使用其在線編譯器。

從以下位置導入演示程序https://developer.mbed.org/teams/Maxim-Integrated/code/RD117_MBED/

將MAXREFDES117連接到控制器板（參見特定控制器板的相應表格條目）：

MAX32600MBED＃端口MAXREFDES117端口P26 SDL SDA P27 SCL SCL P20 SCK RX INT 3.3V VIN GND GND FRDM-K64F端口MAXREFDES117端口E25 SDA E24 SCL D1 INT P3V3 VIN GND GND FRDM-KL25Z端口MAXREFDES117端口E0 SDA E1 SCL D1 INT 3.3V VIN GND GND

表1：MAXREFDES117＃與mbed控制器板的連接

使用USB電纜將控制器板連接到PC。

在MBED編譯器中，單擊右上角的按鈕以選擇適當?shù)目刂破靼濉?/p>

編譯并將生成的二進制文件下載到mbed平臺。

打開Hyperterminal或類似的PC上的終端程序。找到合適的COM端口，并為沒有流量控制的115200,8-N-1配置連接。

將手指放在MAXREFDES117＃上的U1頂部，與耳垂接觸也足夠了。恒定壓力產(chǎn)生最佳結果。

按下終端程序上的任意鍵，系統(tǒng)將開始轉(zhuǎn)換。

從左到右，前兩列顯示數(shù)據(jù)。紅色和紅外LED接收器。第三和第五列顯示計算的心率和SpO2值。第四和第六列顯示心率和SpO2計算的有效性。

MAXREFDES117＃Arduino快速入門指南

所需設備：

帶USB端口的Windows PC

MAXREFDES117＃board

兩端帶有抓取夾的5根電纜。

三種支持的控制器板之一（ Adafruit Flora，Lilypad USB或Arduino UNO板）

一根micro USB線（用于Lilypad或Flora）

一根A到B USB線（用于Arduino UNO）程序

步驟：

參考設計已完全組裝和測試。請按照以下步驟驗證電路板操作：

如果PC上未安裝Arduino IDE，請按照入門指南在PC上安裝Arduino IDE。

如果選擇Adafruit Flora板作為控制器板：

按照Adafruit Windows驅(qū)動程序安裝指南安裝驅(qū)動程序。

按照“Adafruit Arduino IDE設置指南”進行安裝Arduino IDE和Adafruit Flora板的支持文件。

下載源代碼RD117_ARDUINO.zip文件并將其解壓縮到所需位置。

雙擊RD117_ARDUINO。 ino在Arduino IDE中打開項目。

將MAXREFDES117連接到控制器板（參見特定控制器板的相應表項）：

Flora端口MAXREFDES117端口SDA SDA SCL SCL D10 INT 3.3V VIN GND GND Lilypad USB端口MAXREFDES117端口2 SDA 3 SCL 10 INT + VIN - GND Arduino UNO端口MAXREFDES117端口SDA SDA SCL SCL 10 INT 3.3V VIN GND GND

表2： MAXREFDES117＃與Arduino控制器板的連接

使用USB電纜將控制器板連接到PC。

在Arduino IDE中，單擊工具菜單并確保選擇了相應的電路板。

在工具菜單中選擇正確的通信端口。

按Sketch菜單中的Upload菜單項將固件上傳到電路板。

在PC上打開Hyperterminal或類似的終端程序。找到合適的COM端口，并為沒有流量控制的115200,8-N-1配置連接。

將手指放在MAXREFDES117＃上的U1頂部，與耳垂接觸也足夠了。恒定壓力產(chǎn)生最佳結果。

按下終端程序上的任意鍵，系統(tǒng)將開始轉(zhuǎn)換。

圖3：MAXREFDES117的輸出示例＃

從左到右，前兩列顯示紅色和紅外LED接收器的數(shù)據(jù)。第三和第五列顯示計算的心率和SpO2值。第四和第六列顯示心率和SpO2計算的有效性。

實驗室測量

使用的設備：

MAX32600MBED ＃

Adafruit Flora

Adafruit BlueFruit

Polar H7藍牙智能心率傳感器

Android平板電腦

圖4和圖5顯示MAXREFDES117如何計算心率與Polar H7胸帶相比。圖4中的數(shù)據(jù)是在人靜坐20分鐘時拍攝的。圖5中的數(shù)據(jù)是在人以正常速度行走20分鐘時拍攝的。

圖4：對于久坐不動的測試，超過99％ mbed + MAXREFDES117＃心臟心率數(shù)據(jù)低于Polar H7胸帶的5次/分三角。

圖5：對于在移動測試中，超過92％的Arduino + MAXREFDES117＃心率數(shù)據(jù)低于Polar H7胸帶的10次/分三角。