基于AMS-AS7000动态心率测量智能手环原理及设计.doc
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1、基于AMSAS7000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
2、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
3、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33mm,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
4、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1k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
5、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331mm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,
6、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
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