芯?？萍颊刮滑F(xiàn)場(chǎng)

芯海科技1262應(yīng)用：血壓手表

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圖片芯?？萍假Y深產(chǎn)品經(jīng)理彭洪偉（左二）出席圓桌探討

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當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口老齡化以及COVID-19持續(xù)肆虐，人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng)。與此同時(shí)，微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，生命體征測(cè)量技術(shù)也因而迅速發(fā)展，市場(chǎng)上越來(lái)越多的穿戴設(shè)備支持生命體征的監(jiān)測(cè)，如智能手環(huán)、耳機(jī)、健康手表等。
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PPG作為穿戴式生命體征測(cè)量三大技術(shù)（PPG、ECG、BIA）之一，通過(guò)非侵入式和無(wú)感的方式，可連續(xù)測(cè)量心率、血氧SPO2、心率變異性HRV、血壓等健康指標(biāo)?？赏ㄟ^(guò)健康手表、智能手環(huán)的終端產(chǎn)品，采用健康測(cè)量算法及AIoT連接，打造私人健康衛(wèi)士。
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一、PPG測(cè)量技術(shù)原理

圖1 PPG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 PPG信號(hào)

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PPG是Photoplethysmograph光電容積脈搏波描記法的縮寫(xiě)，是一種利用光電信號(hào)檢測(cè)由動(dòng)脈搏動(dòng)造成的血液容積變化的技術(shù)，PPG波形是一個(gè)隨血液容積變化的脈搏波。
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如圖1所示，PPG測(cè)量系統(tǒng)由LED、PD（光電傳感器）及AFE（驅(qū)動(dòng)LED和檢測(cè)PD信號(hào)）組成，通過(guò)LED光照射人體皮膚表面、組織和血管，產(chǎn)生動(dòng)脈搏動(dòng)調(diào)制信息的光信號(hào)，再被PD光電傳感器檢測(cè)獲取數(shù)據(jù)信息。
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如圖2所示，該信號(hào)包含兩個(gè)部分：一是調(diào)制了動(dòng)脈血管變化信息的光信號(hào) AC信號(hào)IAC ，另一個(gè)是沒(méi)有調(diào)制動(dòng)脈變化信息的光也就是穩(wěn)定的DC信號(hào)IDC。分析AC信號(hào)可以獲取心率HR值，根據(jù)Lambert-Beer定律，分析紅光和紅外光的AC和DC比例關(guān)系可以獲取血氧SPO2值。

圖3光子運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

從1974年Takuo Aoyagi 發(fā)明PPG測(cè)量方法至今，傳統(tǒng)指甲式血氧儀已經(jīng)很成熟。最近幾年，健康測(cè)量手表的出現(xiàn)卻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。測(cè)量部位從手指變化到手腕，測(cè)量場(chǎng)景從靜息到全場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，對(duì)AFE芯片提出了更加苛刻的要求。
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如圖3所示，手腕的組織光學(xué)仿真中描繪了10個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)軌跡，只有紅色標(biāo)注的1個(gè)光子捕捉到有效的AC信號(hào)。實(shí)際上手指的有效信號(hào)是手腕的的幾十倍以上，再加上處理運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的偽影，對(duì)AFE的性能指標(biāo)提出了新的需求。芯海的CS1262就是一顆具有高SNR，低功耗特性和考慮全場(chǎng)景應(yīng)用的AFE。
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二、CS1262的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)概要

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圖4 CS1262系統(tǒng)框圖

CS1262是一顆高性能PPG AFE。高準(zhǔn)確度：高達(dá)110dB的動(dòng)態(tài)范圍，支持4PD*12相位的48路有效數(shù)據(jù)采集，內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)250mA的LED Driver可支持8路LED輸出。超強(qiáng)抗干擾：PSRR大于90dB，環(huán)境光抑制能力強(qiáng)模擬環(huán)境光消減高達(dá)±200uA。低功耗：83uA@100Hz@4Ch@2階環(huán)境光消減，54uA@100Hz@1Ch@2階環(huán)境光消減。
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三、CS1262的微弱信號(hào)捕捉能力

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圖5 CS1262 SNR VS 增益電阻
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圖6 PI≈0.1%手腕處的PPG信號(hào)

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高達(dá)110dB的動(dòng)態(tài)范圍，97.5dB的SNR@500KΩ（dBFS)和±63.875uA的LED消減電流，為CS1262提供了強(qiáng)大的微弱信號(hào)捕捉能力。相比友商109dB的動(dòng)態(tài)范圍，96dB的SNR@500KΩ（dBFS)更勝一籌。
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如圖6所示，CS1262采集到手腕上的紅光和紅外PPG信號(hào)，PI灌注度水平在千分之一，脈搏波形清晰可見(jiàn)，為后續(xù)算法的處理提供了強(qiáng)有力的支撐。
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四、CS1262滿(mǎn)足全場(chǎng)景應(yīng)用
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圖7 靜息、步行、跑步等場(chǎng)景下PPG信號(hào)頻譜

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CS1262高達(dá)110dB的動(dòng)態(tài)范圍，具備自動(dòng)模擬環(huán)境光消減功能、±200uA的消減范圍及優(yōu)越的相位信號(hào)低殘余特性，使之具備在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下捕捉PPG信號(hào)的能力。強(qiáng)大的LED驅(qū)動(dòng)能力和高達(dá)8LED*4PD的光電傳感器矩陣布局，保證了復(fù)雜膚色、復(fù)雜測(cè)試環(huán)境下的高準(zhǔn)確性檢測(cè)。
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如圖7所示，在多運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下，CS1262采集的心率頻譜清晰且連續(xù)穩(wěn)定。
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五、CS1262的低功耗特性

表1 不同使用場(chǎng)景下的功耗

PRF為5Hz時(shí)低至13.3uA的工作電流，在穿戴設(shè)備和睡眠健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，CS1262絕不缺席，是持久可靠的貼身健康衛(wèi)士。CS1262低至54uA的功耗@PRF100Hz，優(yōu)于友商100uA@PRF100Hz 。該低功耗特性為穿戴設(shè)備提供了更高的能效比，更持久的續(xù)航能力。
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CS1262并不只是一款單一產(chǎn)品規(guī)劃，而是芯?？萍荚谥腔劢】禍y(cè)量產(chǎn)品系列的重要組成，未來(lái)將會(huì)與公司的BIA、ECG等多種SOC/模擬前端芯片產(chǎn)品，形成系列化芯片組合，搭配健康測(cè)量算法、無(wú)線連接及配套標(biāo)準(zhǔn)方案，實(shí)現(xiàn)健康與智能的融合，賦能更多高端健康設(shè)備、高端消費(fèi)電子產(chǎn)品當(dāng)中。
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