可穿戴皮肤流电测量设备

交流阻抗测量

为完整起见，我认为本文中应该包含以下关于交流阻抗测量的详细介绍。

MAXREFDES73#设置为进行交流阻抗测量，参见图9。12位DAC产生正弦波激励信号，峰-峰值为1V。微控制器DMA引擎使直接数字合成成为可能。DAC0输出信号经过运放缓冲，第二个运放用于构成二阶低通滤波器(LPF1)。利用电容(未标出)阻隔激励信号的直流成分。四个内部SPST开关动态地将负载重新配置为校准通路或人体皮肤负载。ADC输入之前的8位DAC (未标出)产生共模偏置电压。LPF2中的RC组合构成一阶LPF和增益控制。最后，ADC之前的RC组合构成LPF，同时也作为抗混叠滤波器。


图9：图中所示为MAXREFDES73#交流阻抗测量的方框图。

本例中，手腕的皮肤是输入电路中反相放大器的输入阻抗的一部分。相干正弦信号激励电路，利用数字基带正交采样接收器持续检测响应，以检测网络响应的幅值和相位。已知的校准通路为内置，也对其进行测量；系统利用这两种响应确定皮肤的复阻抗。

接下来，根据测试负载与校准通路的响应之比，只需很低的功耗即可精确确定复阻抗。

为了测量特定频率(FC)下的阻抗，向测试负载施加正弦电压，所以x(t) = cos(2πx FC x t)。

然后对ADC的输出进行放大和移相，得到y(t) = VL x cos(2π  x t + θ)。

为了提取接收信号的相位，我们需要进行相干检测。现在，如果ADC能够与DAC输出(交流激励)同步，即实现数字基带正交采样。此时，采样率为激励频率的4倍，如图10所示。


图10：MAXREFDES73# ADC正交采样。

数字基带正交采样一般在频域表示；但对于交流阻抗测量，在时域表示更好。下式所示为从y(t)得到实分量I和复分量Q的过程。

y(t) = VL × cos(2π Fc × t + θ)
TS = 1/(4 × Fc)
y(k) = VL× cos(π/2 × k + θ)
kΣ {0, 1, 2, ...N - 1}
y(k) = VL[cosθ, cos(π/2 + θ), cos(π + θ), cos(3π/2 + θ), ...]
y(k) = VL[cosθ, - sinθ, - cosθ, sinθ, ...]

为了计算复阻抗，我们感兴趣的是提取幅值和相位信息：

VLejθ = VLcos(θ) + jVLsin(θ) = I + JQ

通过观察，前2次ADC采样得到I和Q：

I = VLcos(θ) = y(0)

Q = VLsin(θ) = y(1)

我们可将ADC采样进行分组(偶/奇)并利用±1进行调制，产生实分量I和复分量Q的多个观察。因为我们处理的是单频，可以对这些输出进行平均，以提高测量的信噪比(SNR)，如下式所示：
  

其中N是ADC采样的数量，为4的整数倍。

相位 = θ = atan2(Q,I)

幅值 = VL = √(I2 + Q2)

复阻抗(Z(s))是在特定频率下利用校准负载(Ycal(s))以及被测负载(Ysys(s))的采样测得的。根据响应之比以及两个外部电阻Ri和Rcal ，可得到测试频率下的负载复阻抗：

(Ri + Z(s))/Rcal = Ycal(s)/Ysys(s)

可推导出负载阻抗的幅值和相位：

Z(s)magnitude = Rcal × (Ycal(s)magnitude/Ysys(s)magnitude) - Ri

Z(s)phase = Ycal(s)phase - Ysys(s)phase

对于该参考设计，我们对皮肤阻抗的幅值更感兴趣，所以仅发送幅值数据，并在移动应用程序的图形用户界面上进行显示。在参考设计固件中，也计算相位数据，以便用户用于特殊的应用中。


图11：健康手表的完整功能。

可穿戴设备演示及平台

健康手表演示平台

健康手表演示平台是一套包含算法的完备系统：

·连续心率(光)
·脉搏血氧(光)
·温度(电)
·含水量(电)
·运动(MEMS)
·连通性(蓝牙)

平台包括MAX66242 NFC Chip，集成安全功能：

MAX66242是传感器接口的关键部分，具有无限连接功能，采用RFID技术。该器件用于医疗传感器安全认证和校准。NFC体温计和脉搏血氧仪使用的就是该器件。见图12和图13。

NFC体温计演示平台


图12：NFC体温计作为数字温度计。

该器件具有如下特性：
·非接触
·能量收集
·安全认证
·独立使用；无污染


图13：NFC体温计设计的系统框图。

脉搏血氧仪演示平台（图14）


图14：脉搏血氧仪。

该器件具有如下特性：

·实时监测
·长电池寿命
·非接触：较低污染风险

Fit 2监护服演示平台

该监护服为总体EKG/健身平台。参见图15~图18。


图15：Fit 2衬衫。

该系统具有如下特性：

·移动式、实时分析
·适用于从运动员到病人的各种人群
·相对于Fit Shirt 1，提高了测量精度、电池寿命以及系统尺寸


图16：Fit 2衬衫的完整功能。


图17：Fit 2衬衫技术采用了Maxim Integrated的技术。  



图18：Maxim健康平台参考设计系统的基本框图。该系统结构涵盖了健康手表、脉搏血氧仪和Fit 2衬衫演示平台。Sarvint拥有以下系统的设计专属权：健康手表、Fit 2衬衫、体温计、脉搏血氧仪。