● 低成本，因?yàn)槿绻F，解決方案就無法被運(yùn)用到任何消費(fèi)級(jí)設(shè)備當(dāng)中

● 符合安全法規(guī)

 

為了確保系統(tǒng)的非介入性，必須考慮數(shù)據(jù)記錄部位。電極的最佳安放部位是手腕上部，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)可以確保設(shè)備的下列特點(diǎn)：非介入性；用戶友好性；機(jī)械設(shè)計(jì)的簡單性。然而，在該部位獲取的信號(hào)在質(zhì)量上不如從身體其他部位獲取的EDA信號(hào)，比如食指與中指的中節(jié)指骨。5

 

一旦確定了EDA信號(hào)獲取電極的安放部位，我們就知道，最終（目標(biāo)）系統(tǒng)要采用智能手表或類似設(shè)備的形式。這里要確定的下一個(gè)指標(biāo)是EDA電路可以使用的面積。為了確定這個(gè)參數(shù)，我們分析了多款智能手表，并就這個(gè)話題咨詢了多家供應(yīng)商。結(jié)論是，EDA電路的最大面積要小于5 mm × 5 mm。

 

EDA電路的功耗是要明確的第三個(gè)參數(shù)。該參數(shù)是確保系統(tǒng)能持續(xù)數(shù)天記錄EDA信號(hào)而無需充電或更換設(shè)備的關(guān)鍵。我們?nèi)〉昧瞬煌悄苁直淼碾姵厝萘繑?shù)據(jù)和部分可能商用系統(tǒng)的功率預(yù)算數(shù)據(jù)。經(jīng)過研究，確定了功耗目標(biāo)，要求平均功耗不得超過200 μA。

 

最后，要明確的最后一項(xiàng)指標(biāo)是成本。然而，目前還無法確定該指標(biāo)，因?yàn)橛卸喾N因素可能會(huì)影響到設(shè)備的最終成本。精心選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件，確保最終解決方案的成本處于合理水平。

 

硬件設(shè)計(jì)

 

本節(jié)描述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、測量范圍和分辨率的確定方式。

 

其中一個(gè)關(guān)鍵決定是確定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；径?，測量阻抗的方法有兩種。系統(tǒng)可以施加電流并測量阻抗范圍內(nèi)的電壓，也可以施加電壓并測量阻抗范圍內(nèi)的電流。另外，這些施加信號(hào)既可以是直流信號(hào)，也可以是交流信號(hào)。6 重要的是要分析每種方法的優(yōu)勢(shì)和不足。

 

有多種電路可以測量交流信號(hào)，每種都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。然而，為了達(dá)到性能、成本和面積方面的限制要求，我們認(rèn)為最佳選擇是以下解決方案。

 

我們最后決定，用一個(gè)交流電壓源作為激勵(lì)源，測量通過患者身體的電流，由此確定皮膚電導(dǎo)率。該解決方案可以避免在單個(gè)汗腺上施加高壓，從而避免了汗腺受損的危險(xiǎn)，并且符合IEC6060-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。交流信號(hào)消除了電極極化問題。7

 

我們需要數(shù)字化、存儲(chǔ)和分析要測量的電流。意味著電路需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。由于多數(shù)ADC轉(zhuǎn)換的是電壓而不是電流，所以，我們需要先把通過患者身體的電流轉(zhuǎn)換成電壓。這可以通過一個(gè)跨阻放大器(TIA)來實(shí)現(xiàn)的。在選擇最佳運(yùn)算放大器時(shí)，要考慮的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是噪聲規(guī)格、尺寸和功耗；在實(shí)現(xiàn)TIA時(shí)要用到這些指標(biāo)。

 

一旦確定的系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，下一步就是確定要開發(fā)的系統(tǒng)的測量范圍和分辨率。

 

EDA信號(hào)放大方面的問題主要源于其寬范圍和高分辨率要求。一般地，皮膚電導(dǎo)設(shè)備必須覆蓋的范圍為0 μS至100 μS，還要能檢測0.05 μS的波動(dòng)。分辨率可以通過12位分辨率以上的ADC實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分辨率，本項(xiàng)目的目標(biāo)是0.01μS，因此需要采用14位或16位分辨率的ADC。8

 

為了在100 μS的范圍內(nèi)獲得0.05 μS的分辨率并達(dá)到安全法規(guī)的要求，需要采用下列模塊。

 

● 一個(gè)交流電壓源

● 確保符合IEC6060-1規(guī)范的保護(hù)元件

● 用于測量通過患者身體的電流的電路

 

環(huán)境溫度和皮膚溫度的變化會(huì)導(dǎo)致EDA信號(hào)變化。9 因此，也有必要取得環(huán)境溫度和皮膚溫度。這可以通過一個(gè)簡單的熱敏電阻和幾個(gè)分立元件以及一個(gè)ADC來實(shí)現(xiàn)。

 

最后，功耗是該電路中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為了降低功耗，確保僅在需要進(jìn)行新的測量時(shí)激活系統(tǒng)，必須同時(shí)集成一個(gè)電源管理單元。該模塊必須能由主微控制器輕松控制，并且必須為整個(gè)EDA測量電路供電。圖1所示為完整的功能框圖。

 

圖1.系統(tǒng)框圖。

 

在以下各節(jié)中，我們將明確本應(yīng)用的最佳組件。

 

電源管理單元

 

我們決定用ADP151系列實(shí)現(xiàn)電源管理單元，因?yàn)樵撓盗芯哂卸鄠€(gè)不錯(cuò)的特性，其封裝和噪聲水平也非常適合本應(yīng)用的需要。10

 

電平轉(zhuǎn)換器

 

有多種方式和廣泛的集成電路可以用來形成電平轉(zhuǎn)換器。然而，這些集成電路的面積和價(jià)格卻無法滿足本項(xiàng)目的限制要求。因此，本電路中的電平轉(zhuǎn)換器是用分立元件實(shí)現(xiàn)的?；镜?，電平轉(zhuǎn)換器由一個(gè)晶體管DMN2990UFZ,11和一個(gè)電阻構(gòu)成。

 

低通濾波器和TIA

 

為了實(shí)現(xiàn)低通濾波器和TIA，我們選用了ADA4505-2ACBZ，因?yàn)樗哂袃?yōu)秀低功耗水平、小尺寸和輸入偏置電流超低等特點(diǎn)。12

 

ADC

 

符合所有系統(tǒng)要求的ADC是AD7689BCBZ。這款強(qiáng)大的ADC集成了可以在不使用時(shí)關(guān)閉的基準(zhǔn)電壓源，因而可以降低功耗。13

 

最后，為了確保達(dá)到面積限制要求，我們將使用的組件和功能數(shù)量降至最低，并且為所有組件選擇了最小的封裝。圖2所示為該系統(tǒng)的布局和尺寸。

 

圖2.EDA分立式電路布局。

 

軟件設(shè)計(jì)

 

如前所述，系統(tǒng)需要生成一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，用于測量皮膚的電導(dǎo)率。該激勵(lì)信號(hào)是一個(gè)交流信號(hào)，從交流測量值抽取的兩個(gè)參數(shù)是信號(hào)幅度和激勵(lì)信號(hào)與獲取的信號(hào)之間的相位延遲。最重要的參數(shù)是幅度，可以通過多種方式從交流信號(hào)中獲取該參數(shù)。然而，在本系統(tǒng)中，獲取幅度的最佳方法是實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換(DFT)。14

 

也可以將DFT視為濾波器組，其衰減水平與樣本數(shù)成正比，最大值的位置取決于激勵(lì)信號(hào)。

 

在這里，有理由采用較大的樣本數(shù)(N)來實(shí)現(xiàn)DFT，因?yàn)檫@樣做可以改善SNR。然而，DFT的功耗（如果直接實(shí)現(xiàn)）與樣本數(shù)成比例，采集的樣本越多，功耗越大。這意味著在樣本數(shù)與功耗之間存在一個(gè)重要的折衷點(diǎn)。

 

另一個(gè)重要參數(shù)是采樣頻率與激勵(lì)頻率之比。如果采樣頻率為激勵(lì)頻率的4倍，則用于實(shí)現(xiàn)DFT的等式會(huì)非常簡單。這種情況下，涉及浮點(diǎn)乘法的復(fù)雜等式會(huì)成為加法。如果可用處理器為DSP或Cortex®-M4，則乘法也是可行的。然而，如果必須在Cortex-M0中進(jìn)行計(jì)算，則這可能會(huì)成為一個(gè)重要問題。不妨比較等式1和100 Hz頻率窗口(FCENTER)的單點(diǎn)DFT計(jì)算濾波器表達(dá)式，其中，采樣頻率(FS)為400 Hz和500 Hz。

 

 

明確要采用的技術(shù)以及激勵(lì)頻率與采樣頻率之比之后，下一步就是確定激勵(lì)頻率。

 

激勵(lì)頻率必須盡可能低，以確保電流會(huì)流過患者的皮膚，但不會(huì)滲入身體。15 因此，激勵(lì)頻率必須小于1 kHz。同時(shí)需要指出的是，本應(yīng)用的主要噪聲源是市電產(chǎn)生的50 Hz/60 Hz噪聲。

 

 

如等式2所示，DFT的各個(gè)組分X(k)抵消了n × FS/N形式的頻譜組分的貢獻(xiàn)，其中，n = 0, 1, 2...N – 1，N = k時(shí)除外。通過正確定義激勵(lì)頻率，我們可以抵消50 Hz噪聲源的貢獻(xiàn)。然而，不能使用高頻率的原因如前所述。所以，不錯(cuò)的折衷點(diǎn)是100 Hz，雖然我們可能會(huì)捕捉到市電干擾源的諧波。

 

如果激勵(lì)信號(hào)為100 Hz，采樣頻率為400 Hz，則在50 Hz下，當(dāng)N等于8、16和32時(shí)，會(huì)出現(xiàn)零。我們同時(shí)要記住的是，樣本數(shù)必須盡可能小，以盡量降低功耗。因此，一種不錯(cuò)的折衷選項(xiàng)是用16個(gè)樣本實(shí)現(xiàn)DFT。必要時(shí)，為了改善SNR，可以增加樣本數(shù)。當(dāng)然，如果噪聲為60 Hz而非50 Hz，則采樣頻率應(yīng)為480 Hz，激勵(lì)頻率應(yīng)為120 Hz。頻率響應(yīng)如圖3所示，只涉及加法的數(shù)學(xué)公式如等式3所示。

 

圖3.可以把DFT視為濾波器組。這是16個(gè)樣本條件下的DFT頻率響應(yīng)，其中，采樣頻率為400 Hz，中心頻率為100 Hz，頻率窗口為矩形。

 

 

機(jī)械設(shè)計(jì)

 

我們開發(fā)了一個(gè)評(píng)估系統(tǒng)，用于測試和證明以上提出的解決方案。該平臺(tái)由EDA測量需要的主傳感器以及其它必要特性構(gòu)成。移動(dòng)和溫度可能會(huì)影響皮膚阻抗測量結(jié)果。9, 16 因此，同時(shí)我們也測量了含有移動(dòng)和溫度的信號(hào)。

 

系統(tǒng)還包括一個(gè)電池充電器，用于對(duì)平臺(tái)中使用的LIPO電池充電。該設(shè)備需要采用高容量電池，因?yàn)槲覀兿Ｍ軐?shí)現(xiàn)24小時(shí)信號(hào)采集。阻抗、溫度和加速度測量值被保存到存儲(chǔ)于微型SD卡上的文件中，也可以通過低功耗的藍(lán)牙®把數(shù)據(jù)發(fā)送到平板電腦或個(gè)人電腦上。圖4所示為評(píng)估平臺(tái)。

 

圖4.EDA評(píng)估平臺(tái)。ADI watch GEN II。

 

結(jié)果

 

SNR研究

 

我們進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，確保能在所選組件的噪聲水平以及系統(tǒng)帶寬條件下，實(shí)現(xiàn)要求的分辨率。然而，該特性需要用實(shí)際測量值檢驗(yàn)。為此，我們用原型系統(tǒng)測量了多個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，以便檢驗(yàn)功能。研究涉及對(duì)同一電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多次測量，以檢查可重復(fù)性，從而獲得系統(tǒng)的精度數(shù)據(jù)。在這項(xiàng)測試中，我們對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了100次測量，通過從取得的結(jié)果中的最大值減去最小值，取得了最大誤差。誤差值始終等于或小于0.01 μS。

 

在驗(yàn)證系統(tǒng)精度以后，下一步是檢查系統(tǒng)的線性度。為了進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，我們將原型接入可編程電阻替代器，以1 kΩ的步進(jìn)對(duì)10 kΩ-500 kΩ的范圍進(jìn)行了評(píng)估。系統(tǒng)的R2為0.9999992。

 

功耗研究

 

EDA系統(tǒng)由一個(gè)有不同狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)構(gòu)成，用于獲取患者皮膚電導(dǎo)率，確保使功耗維持于最低水平。開始時(shí)，在狀態(tài)1(S1)下，我們關(guān)閉了EDA的AFE，只有微控制器和加速度計(jì)處于開啟狀態(tài)。平均功耗為139 μA。大約150 ms后，我們打開EDA AFE，由MCU生成方波信號(hào)，然后交由LPF濾波。在該階段(S2)，我們關(guān)閉了ADC基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)樾盘?hào)還不穩(wěn)定。確保信號(hào)穩(wěn)定需要6個(gè)周期，在最差情況下，S2下的平均功耗為230 μA。我們?cè)赟3下打開了ADC基準(zhǔn)電壓源，系統(tǒng)等待10 ms，確?；鶞?zhǔn)電壓源穩(wěn)定下來——本階段的平均功耗為730 μA。系統(tǒng)在四個(gè)周期中獲取4個(gè)樣本，以取得用于在S4中實(shí)現(xiàn)DFT的16個(gè)樣本點(diǎn)。本階段的功耗為880 μA。DFT在階段S5中實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)在該狀態(tài)下取得了加速度計(jì)數(shù)據(jù)，本階段的功耗為8 mA左右。圖5所示為系統(tǒng)功耗。本研究證明，EDA AFE的平均功耗要低于170 μA。

 

圖5.功耗分析。

 

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

 

現(xiàn)在，我們已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過電子驗(yàn)證——因此，下一步是比較EDA電路與基準(zhǔn)系統(tǒng)的性能。在本例中，我們以Empatica的E4平臺(tái)作為基準(zhǔn)系統(tǒng)，因?yàn)樗哂辛己玫男阅堋?/div>