基于領(lǐng)慧立芯LH001-91芯片的兩電極運動心率帶方案

隨著全民健康意識的覺醒與運動文化的蓬勃發(fā)展，精準(zhǔn)的運動心率監(jiān)測已成為科學(xué)健身的核心需求。無論是跑步、騎行還是力量訓(xùn)練，實時心率數(shù)據(jù)不僅幫助用戶優(yōu)化訓(xùn)練強(qiáng)度、避免運動損傷，也能為慢性病管理及亞健康干預(yù)提供關(guān)鍵依據(jù)。高精度超長待機(jī)的運動心率帶產(chǎn)品越來越受歡迎。

然而，核心芯片高功耗導(dǎo)致的續(xù)航短板、運動干擾引發(fā)的測量誤差，以及復(fù)雜的開發(fā)流程，仍是困擾廠商的三大難題。領(lǐng)慧立芯推出的LH001-91芯片，具有超低功耗與超低噪聲性能，同時我們推出了接近量產(chǎn)需求的整體解決方案。該方案賦能產(chǎn)品開發(fā)者，在運動安全、效率提升及健康管理等方面提供底層支持，為人們健康生活注入科技溫度。

領(lǐng)慧立芯設(shè)計驗證了基于LH001-91的兩電極心率帶方案，搭配BLE SoC實現(xiàn)了接近量產(chǎn)需求的交鑰匙方案，評測顯示系統(tǒng)休眠功耗約6uA，工作條件：使用16深度 FIFO, 125SPS采樣率時，等效到輸入端噪聲大概 0.93uVrms可以實現(xiàn)醫(yī)療診斷級別的ECG信號質(zhì)量，其中AFE功耗約203uA;加上藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整機(jī)功耗在320uA左右;使用一節(jié)3V/230mAH紐扣電池，理論計算續(xù)航時間輕松超過500小時，休眠續(xù)航時間理論計算也超3年。

本文將介紹LH001-91芯片特點、方案設(shè)計思路并展示實際的測試數(shù)據(jù)。

LH001-91方案采集到的ECG信號

一、LH001-91芯片：嚴(yán)肅醫(yī)療級ECGEEG AFE追求低噪聲與低功耗的極致組合

領(lǐng)慧立芯LH001-91是一款可以覆蓋嚴(yán)肅醫(yī)療診斷級ECG、監(jiān)護(hù)儀、EEG及運動健康級心率心電應(yīng)用的專用模擬前端芯片，其核心優(yōu)勢在于：

?低噪聲可編程增益放大器(PGA)和高分辨率 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

- 輸入?yún)⒖荚肼暎?.9 μVpp (250 SPS，增益 6)

- ECG 通道輸入偏置電流：Max +-200pA，輸入阻抗不小于1GOHM

- PGA增益9檔可選：1,2,3,4,6,8,12,24,48

- 數(shù)據(jù)速率：125SPS 至 8kSPS

- 共模抑制比(CMRR)：117dB

?超低功耗：

- 待機(jī)模式電流 0.2 μA。

- 超低供電電壓：模擬2.4V 至 3.6V ;數(shù)字：1.7V 至 3.6V

- 數(shù)據(jù)深度32 的FIFO有助于系統(tǒng)功耗優(yōu)化

- 根據(jù)需要可以提供優(yōu)化功耗-性能配置

?高集成小體積：

- 內(nèi)置右腿驅(qū)動放大器、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測、低功耗時鐘、溫度傳感器、測試信號

- 40 腳，5mm x5mm QFN 封裝;

- 30 球，2.95mm x2.95mm WLCSP 封裝

LH001-91系統(tǒng)框圖

二、直擊行業(yè)痛點：基于LH001-91的針對性系統(tǒng)設(shè)計

1. 續(xù)航焦慮?靈活的功耗-性能優(yōu)化配置實現(xiàn)極致體驗

為了滿足不同運動場景提高用戶體驗，穿戴心率帶產(chǎn)品需要具備超長續(xù)航及超長待機(jī)能力，避免頻繁充電或者更換電池。

超長續(xù)航是指心率帶在正常使用過程，如持續(xù)監(jiān)測ECG信號，正常的算法功能、藍(lán)牙通信功能運行時，系統(tǒng)滿電單次可以工作的小時數(shù)。比如使用3V /230mAH的CR2032電池，設(shè)計續(xù)航時間為500小時，則理論計算系統(tǒng)平均功耗需要小于460uA。這對心率帶方案中關(guān)鍵芯片如ECG AFE和BLE SoC的工作功耗及最小工作電壓都提出比較高的要求。

LH001-91在設(shè)計之初考慮到低功耗需求，內(nèi)部設(shè)置了一系列寄存器可以實現(xiàn)芯片功耗的優(yōu)化配置。功耗調(diào)節(jié)范圍從190uA到252uA

超長待機(jī)是指心率帶不使用時，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，在此模式電池從滿電到低于系統(tǒng)工作電壓前的小時數(shù)。對心率帶使用間歇頻繁、間隔時間長的應(yīng)用場景來說超長待機(jī)對提升用戶體驗非常重要。舉例來說，使用3V /230mAH的CR2032電池，考慮到電池自放電率1-3%，設(shè)計續(xù)航時間為2年即17520小時，則理論計算系統(tǒng)平均功耗需要小于12.3uA。

這對ECG AFE，BLE SoC及系統(tǒng)睡眠喚醒電路設(shè)計都有很高的要求。一般BLE SoC工作在GPIO可以喚醒模式的功耗大概在2-5uA。心率帶睡眠喚醒功能電路一般由低功耗運放、比較器及RC構(gòu)成，其功耗大概需要3-5uA。留給ECG AFE的功耗在2-7uA。LH001-91具有非常低的休眠功耗，0.2uA，為其他關(guān)鍵芯片選型留出很大空間。

2.測量不準(zhǔn)?高性能PGA+ADC應(yīng)對各種極端場景心率帶為了方便佩戴及易于維護(hù)一般使用干電極(無需電解質(zhì))如金屬電極、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電織物等。干電極相對于濕電極(有電解質(zhì))有天然的缺點：如阻抗高，特別是在干燥的秋冬季，干電極直接與皮膚接觸，接觸阻抗激增，可能導(dǎo)致心電信號建立緩慢、漂移、斷續(xù)、失準(zhǔn)甚至丟失。

LH001-91的PGA輸入偏置電流最大值+-200pA，無導(dǎo)聯(lián)脫落檢測時輸入阻抗大于1GOHM，PGA增益選擇多達(dá)9種：1,2,3,4,6,8,12,24,48。PGA+ADC的等效輸入噪聲低達(dá)2.9uVpp。這些特性有助于提高各種極端條件下心率信號的采集質(zhì)量。

三、從原理圖到量產(chǎn)：交鑰匙方案實戰(zhàn)解析

1.低功耗設(shè)計方案

兩電極下如何實現(xiàn)導(dǎo)聯(lián)脫落檢測和系統(tǒng)共模抑制比

心率帶產(chǎn)品小體積設(shè)計可以極大提高客戶的穿戴體驗，所以心率帶產(chǎn)品的PCBA設(shè)計越小越輕便越好。醫(yī)療級單導(dǎo)ECG信號檢測需要3個電極可以達(dá)到性能最優(yōu)化，其中2個電極做ECG微弱信號的檢測，另一個電極做右腿驅(qū)動，讓人體可以偏置在一個非常穩(wěn)定的共模電壓，這樣的設(shè)置也方便實現(xiàn)電極脫落的檢測。市面上心率帶類產(chǎn)品主要采用了2個電極，這雖然減少了系統(tǒng)體積和成本，但給導(dǎo)聯(lián)脫落檢測和極端使用環(huán)境的ECG信號檢測帶來挑戰(zhàn)。

領(lǐng)慧立芯經(jīng)過反復(fù)論證和測試，提供了一套解決方案，采用兩電極可以實現(xiàn)可靠的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測，實現(xiàn)可靠的感知佩戴動作和脫掉動作，讓系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式或進(jìn)入睡眠模式。從而實現(xiàn)前述的超長續(xù)航和超長待機(jī)的目標(biāo)。

如下圖所示，在LH001-91的AIN0/AIN1設(shè)置上下拉電阻實現(xiàn)導(dǎo)聯(lián)脫離檢測功能。當(dāng)心率帶接入人體，電極1的電壓由VCC降低到0.5VCC，觸發(fā)比較器閾值，比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，喚醒系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式;當(dāng)心率帶脫離人體，電極1的電壓恢復(fù)到VCC，比較器輸出再次翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式。

兩電極ECG導(dǎo)聯(lián)脫落檢測實現(xiàn)系統(tǒng)睡眠/喚醒功能

由于LH001-91輸入偏置電流非常小，輸入等效阻抗不小于1GOHM，允許AIN0/AIN1的上下拉電阻使用更大的阻值以提高ECG信號檢測質(zhì)量，特別是應(yīng)對干燥皮膚/干燥環(huán)境情況。一般設(shè)置上下拉電阻10M-50M，可以根據(jù)實際調(diào)試效果，平衡選取合適的阻值。

LH001-91隱藏的秘訣：可以提供極大的性能-功耗優(yōu)化空間

LH001-91設(shè)計之初考慮到院內(nèi)外嚴(yán)肅醫(yī)療級應(yīng)用和運動健康類應(yīng)用的需求，允許配置相應(yīng)寄存器來優(yōu)化功耗平衡性能。功耗優(yōu)化后可以降低30%以上功耗，噪聲性能也能接近醫(yī)療診斷級要求，遠(yuǎn)超醫(yī)療監(jiān)護(hù)級要求。以下表格展示了LH001-91的幾種配置模式下功耗與噪聲性能，我們提供的解決方案中包含了配置源代碼API，簡化了客戶開發(fā)工作。

2.極端條件下的高質(zhì)量信號采集技巧

ECG采集信號鏈中，由于PGA的輸入阻抗高達(dá)1GOHM，為了給人體提供穩(wěn)定的共模電壓，兩電極方案中LH001-91的AIN0/AIN1設(shè)置了上下拉電阻，可以調(diào)整阻值從10MOHM到50MOHM來優(yōu)化系統(tǒng)性能。雖然高輸入阻抗有利于緩解干燥皮膚/干燥環(huán)境下性能劣化，但是也容易引入外界電磁干擾，這是業(yè)內(nèi)普遍面臨的挑戰(zhàn)。

領(lǐng)慧立芯的工程師經(jīng)過建模仿真及實際測試，給出一套優(yōu)化性能的解決思路。

下圖中V1模擬環(huán)境中的工頻干擾，對于系統(tǒng)表現(xiàn)為共模干擾信號。R5、R6模擬電極與皮膚的接觸阻抗。R3、R4為電極提供穩(wěn)定共模電壓。OUT+、OUT-連接到LH001-91的AIN0/AIN1。我們分兩方面來分析外部電路如何應(yīng)對干燥皮膚高阻抗和外界共模干擾。

LH001-91與人體接觸的電路模型

抑制外界共模干擾

如果AIN1/AIN1的這些電阻電容容差為0，則外部電路的共模抑制能力理論上是無窮大，外界工頻干擾會被完全抑制掉。實際情況R3/R4常見電阻容差+-1%，CMRR將迅速劣化到60-70dB，如果出現(xiàn)大的外界干擾很容易影響測量準(zhǔn)確度。選用容差等級高的電阻CMRR將明顯改善。

應(yīng)對干燥皮膚和干燥環(huán)境影響

干燥皮膚和干燥環(huán)境會導(dǎo)致電極與皮膚接觸阻抗激增，極端情況可能達(dá)到幾百KOHM到MOHM級別，這種情況將直接導(dǎo)致AIN0/AIN1的偏置電壓接近供電軌而導(dǎo)致PGA飽和，信號將中斷或者消失。采取這些措施及他們的組合有助于改善系統(tǒng)性能：R3/R4選擇更大阻值、配置LH001-91的PGA增益為更低等。

筆者還有一些其他思路來解此挑戰(zhàn)，比如采用動態(tài)調(diào)整偏置電阻的方法，3電極方案等，如果您也有奇思妙想，歡迎聯(lián)系筆者共同探討求證，筆者郵箱fae@legendsemi.com。

3.軟硬件開發(fā)：低門檻，高效率

原理圖開源

本文提到的交鑰匙方案，硬件接近量產(chǎn)需求，采用LH001-91和NRF52832實現(xiàn)2電極ECG信號采集和藍(lán)牙傳輸。系統(tǒng)硬件能實現(xiàn)低功耗休眠/喚醒功能，理論可實現(xiàn)500小時以上續(xù)航及2-3年的休眠待機(jī)。

API開源

提供LH001-91的低功耗API函數(shù)，提供基本的基線去除算法，支持客戶二次開發(fā)。

PC端藍(lán)牙上位機(jī)軟件

提供PC端的藍(lán)牙上位機(jī)軟件，方便客戶快速評測LH001-91的性能，加快產(chǎn)品開發(fā)迭代速度。

結(jié)語

領(lǐng)慧立芯LH001-91以其卓越的性能與完整方案，幫助行業(yè)伙伴加速開發(fā)迭代運動心率帶產(chǎn)品，讓更多熱愛運動的人用上心率帶，實現(xiàn)科學(xué)運動。

領(lǐng)慧立芯在醫(yī)療級ECG，EEG，EMG領(lǐng)域深耕多年，打磨了一系列高性能的AFE芯片及解決方案。LHE7908、LHA7878系列AFE適合高性能低功耗多導(dǎo)心電圖機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、Holter等應(yīng)用。LHE7909，LH001-99 AFE以其超低噪聲性能適合高性能腦電、肌電等應(yīng)用。

如對本文提到的解決方案感興趣，歡迎聯(lián)系我們技術(shù)支持團(tuán)隊索取原理圖和源代碼等資料。如需申請樣品，請聯(lián)系領(lǐng)慧立芯區(qū)域銷售團(tuán)隊。