基于AMS AS7000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3&mes;3mm，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1kΩ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 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3&mes;3&mes;1mm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，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波描记法(PPG)。心脏收缩和扩张时流经血 管血量的变化会引起血管的扩张及收缩从而对光产生调制，通过测量该调制光可测得心率。

与产生原始PPG数据的现有光学AFE不同， AS7000集成的微处理器可运行艾迈斯半导体开发的特 殊算法，将PPG数据转换成HRM和HRV值。它内部集成了2 个绿色LED、光敏器件、模拟前段(AFE)、微处理器M0以及 HRM算法，它能实现高精度的测试，不管我们是在跑步、骑车，AS7000低噪声和高灵敏度的模拟电路，算法结合加 速度传感器，过滤虚假心跳PPG信号。同时，心率监督在智 能手环上的应用特别要考虑它的功耗问题，AS7000在心率 连续测试模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在测试待 机模式下，可以降低到0.8uA。

AS7000的芯片内部已经集成了心率采样算法，所以我 们只要通过I2C接口去读取数据。

如图4所示，其中第13、14引脚是和Host主机端的I2C通 讯引脚。

第7、8引脚是AS7000的SWD仿真接口，AS7000内部是 一个M0内核的MCU，主要用于心率算法的处理。其中第8

图4 AS7000原理

引脚 GPIO8是控制AS7000芯片是否进入待机模式，GPIO8输 出高电平，AS7000待机;GPIO8输出低电平，AS7000正常运 行模式。

第11、12引脚是AS7000和LIS3DH的I2C通讯引脚，主要 是因为AS7000在实现动态心率测试的时候，需要过滤掉运 动时产生的干扰。

第16引脚是GPIO5，在动态心率算法的时候，AS7000 需要三轴加速度传感器数据，第一种是可以像本方案这样单 独挂一颗三轴加速度传感器，另外一种是可以向主机请求三 轴加速度数据。GPIO5就是在第二种方式的时候使用到的。 但是考虑到三轴加速度的同步性问题，我们一般推荐第一种 方式。

第3引脚，是Sigref引脚，AS7000的SWD功能是内部可 以关闭的， 当我们关闭S WD时， 我们需要在A S7000的上 电前，把Sigref引脚接到地，此时从上电之后的5s时间内， SWD是活跃的，可以通过SWD接口实现对AS7000的程序烧 写功能。

第1、2、17、18引脚是AS7000 LED灯的电源，我们最 好的设计是需要一颗DC/DC升压到4V供电，为了确保足够 大的LED电流，同时要注意的是DC/DC需要有一个EN使能 信号脚，用于控制功耗使用。本方案中我们是直接使用电池 电压作为电源，在测试中我们需要注意在电池电压3.6V以上 测试效果比较理想。同时我也使用了一个MOS管去控制整 个电源的导通或截止。

1.4 触摸

我们选择的是CY的SoC蓝牙芯片CYBL10573，它内部集 成了Capacive Sigma-Delta(CSD)模块，可以提供一流的信噪 比和防水性能，所有GPIO都支持CapSense，使用灵活，并且支持单指和双指触摸应用。

1.5 OLED显示

显示这一块我们选择自发光OLED显示屏，只要 有一组I2C通讯接口就可以实现酷炫的界面显示。

1.6 手机app蓝牙互联

本方案我们使用CY的SoC蓝牙芯片CYBL10573， 内部集成低功耗BLE蓝牙模块，BLE子系统包含链路 层引擎和物理层。链路层引擎支持主设备和从设备模 式。链路层引擎通过在硬件中实现了对时间有严格要 求的各项功能( 如加密功能) ， 从而降低功耗， 并 提供最少的处理器干预和高性能特性。 关键协议元 素(如主机控制接口(HCI)和链路控制)都是通过固件实 现的。同时提供了直接测试模式(DTM)，以便能够使用 标准蓝牙测试器来测试无线性能。物理层包含一个调制解 调器和一个射频收发器，该收发器以1Mbps 的速度通过2.4

GHz ISM 带传输和接收BLE 数据包。发送时，该模块将进行 GFSK 调制，并在通过天线传输BLE 数据包之前将该数据包 的数字基带信号转换为射频。进行接收时，该模块会针对天 线中的射频信号进行GFSK 解调，以获得数字比特流。射频 收发器包括集成的Balun。该Balun 提供了一个单端射频端口 引脚，这样能够通过pi 匹配网络驱动一个电阻为50欧的天线 终端。可以将输出功率编程为–18 dBm ~ +3 dBm，以优化不 同应用程序的电流消耗。

2 系统软件的功能设计和实现

最终智能手环要完成的功能：

1、基于AMS AS7000动态心率检测;

2、基于意法半导体的电池管理芯片STNS01供电、充电 的电源管理系统;

3、基于三轴加速度传感器芯片LIS3DH的计步运动量检 测;

4、基于CY SoC蓝牙的触摸Touch功能实现，以及和手 机App BLE4.0蓝牙信息交互功能;同时要完成SoC蓝牙自身的 OTA升级和对AS7000的心率算法升级功能;

5、OLED的界面显示;

最终，通过本方案我们希望可以帮助客户快速搭建自 己的智能手环系统。