基于AMS AS7000动态心率测量智能手环原理及设计

引言

随着移动互联网的发展、技术进步和高性能低功耗处 理芯片的推出等，智能穿戴设备种类逐渐丰富，穿戴式智能 设备已经从概念走向商用化，谷歌眼镜、苹果手表、三星智 能腕表、耐克的燃料腕带、传感器智能服、太阳能充电背包 等穿戴式智能设备大量涌现，智能穿戴技术已经渗透到健 身、医疗、娱乐、安全、财务等众多领域。目前在国内手环 市场上，自带高精度心率检测功能的智能手环也日趋成熟， 小米还推出过心率手环，其中心率模块用的就是 AMS的动态心率检测芯片AS7000。

1 系统总体方案介绍

如图1基于AS7000心率手环系统框架所示，手环主要由 充电管理系统、三轴加速度传感器LIS3DH的计步检测运动 量信息系统、AS7000的动态心率检测系统、触摸、OLED显 示、手机App蓝牙信息交互系统共同组成。

1.1 充电管理系统

图1 基于AS7000心率手环系统框架

STNS01芯片内部集成了LDO稳压器和电池充电管理系统。它使用CC / CV算法给电池充电，充电电流可以使用一 个外部电阻来选择，充电电流最大400mA，浮动电压值是4.2V。输入电源电压通常用来为充电电池和LDO稳压器提供电 力。当一个有效的输入电压不存在并且电池存在的时候，设 备会自动切换到电池供电。

STNS01电池充电管理系统集成了过度充电、过放电和 过电流保护电路，这样可以有效地在故障条件下防止电池损 坏。它还有一个充电控制引脚控制停止充电，当我们从外部 检测电池过热时。STNS0芯片在shutdown模式，电池电力消耗可以减少到500 nA，这样可以最大化地保证电池寿命，尤其在货架期间 或航运期间。芯片的封装尺寸只有3&TImes;3mm，为智能手环的 PCB 布局减少了很多的空间。

图2 STNS01最小系统原理

如图2所示，其中芯片1管脚IN：电池管理芯片电压输 入引脚。

芯片2管脚SYS：电池管理芯片3.1V输出引脚，可以提供 电源，跟LDI输出引脚类似。

芯片3管脚LDO：电池管理芯片3.1V输出引脚，具体见 芯片数据手册描述。

芯片4管脚SD：LDO输出控制引脚，默认上拉使能。

芯片5管脚CHG：电池管理芯片错误提示引脚，闪烁说 明电源存在问题。

芯片6管脚CEN：充电使能引脚，上拉使能。 芯片7管脚GND：地。 芯片8管脚NTC：外部热敏电阻。 芯片9管脚ISET：充电电流控制引脚，接1kΩ电阻，电

流最大200mA。

图3 三轴加速度传感器LIS3DH最小系统原理图

芯片10管脚BTMS：电池电压输出引脚，分压之后一般 用来检测电池端电压。

芯片11管脚BATSNS：电池正极。

芯片12管脚BAT：电池正极。

1.2 三轴加速度传感器

方案中， 我们用了2个三轴加速度传感器， 其中一个 三轴加速度传感器是做运动记录的，我们可以使用传感器 做计步、睡眠等算法；而另外一个三轴加速度传感器是和 AS7000配合做动态心率检测功能的。三轴加速度我们使用 的是意法半导体的LIS3DH，工作电流消耗最低位2uA，这款3&TImes;3&TImes;1mm的加速度传感器最适合运动感应功能、空间和功 耗受限的应用设计，特别适合智能手环上的应用。
LIS3DH 在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范围内，LIS3DH可提供非常 准确的测试数据输出，在额定温度和长时间工作下，仍能保持卓越的稳定性。本方案中，我们会使用LIS3DH完成计步功能的实现。计步器是一种日常锻炼进度监控器，可以计算人们行走的步数，估计行走 距离、消耗的卡路里，方便人们随时监控自 己的健身强度、运动水平和新陈代谢。

如图3所示，芯片4、6是作为I2C通讯引 脚，分别是对于I2C的时钟线和数据线。

芯片第7引脚是LIS3DH芯片从机地址的 选择，接地代表本机从机7位地址是0x18，芯 片第8引脚接高电平，代表选择的是I2C通讯 接口，如果接地代表选择SPI通讯接口。

芯片9、11管脚：分别对应三轴传感器 的中断信号输出引脚，一般用于数据缓存溢 出时的给MCU端的中断信号，有利于我们在 做计步算法 的时候管理MCU的功耗。

1.3 AS7000动态心率检测系统

心率我们采用AMS的心率检测芯片AS7000，该产品包含了高度集成的光学传感 器和相关软件算法。它可提供行业领先的高 精度光学心率测量（HRM）和心率变（HRV） 测量。AS7000的运作基于光电容积脉搏波描记法（PPG）。心脏收缩和扩张时流经血 管血量的变化会引起血管的扩张及收缩从而对光产生调制，通过测量该调制光可测得心率。
与产生原始PPG数据的现有光学AFE不同， AS7000集成的微处理器可运行艾迈斯半导体开发的特 殊算法，将PPG数据转换成HRM和HRV值。它内部集成了2 个绿色LED、光敏器件、模拟前段（AFE）、微处理器M0以及 HRM算法，它能实现高精度的测试，不管我们是在跑步、骑车，AS7000低噪声和高灵敏度的模拟电路，算法结合加 速度传感器，过滤虚假心跳PPG信号。同时，心率监督在智 能手环上的应用特别要考虑它的功耗问题，AS7000在心率 连续测试模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在测试待 机模式下，可以降低到0.8uA。