引言

隨著移動互聯網的發展、技術進步和高性能低功耗處 理芯片的推出等，智能穿戴設備種類逐漸豐富，穿戴式智能 設備已經從概念走向商用化，谷歌眼鏡、蘋果手表、三星智 能腕表、耐克的燃料腕帶、傳感器智能服、太陽能充電背包 等穿戴式智能設備大量涌現，智能穿戴技術已經滲透到健 身、醫療、娛樂、安全、財務等眾多領域。目前在國內手環 市場上，自帶高精度心率檢測功能的智能手環也日趨成熟， 小米還推出過心率手環，其中心率模塊用的就是 AMS的動態心率檢測芯片AS7000。

1 系統總體方案介紹

如圖1基于AS7000心率手環系統框架所示，手環主要由 充電管理系統、三軸加速度傳感器LIS3DH的計步檢測運動 量信息系統、AS7000的動態心率檢測系統、觸摸、OLED顯 示、手機App藍牙信息交互系統共同組成。

1.1 充電管理系統

圖1 基于AS7000心率手環系統框架

STNS01芯片內部集成了LDO穩壓器和電池充電管理系統。它使用CC / CV算法給電池充電，充電電流可以使用一 個外部電阻來選擇，充電電流最大400mA，浮動電壓值是4.2V。輸入電源電壓通常用來為充電電池和LDO穩壓器提供電 力。當一個有效的輸入電壓不存在并且電池存在的時候，設 備會自動切換到電池供電。

STNS01電池充電管理系統集成了過度充電、過放電和 過電流保護電路，這樣可以有效地在故障條件下防止電池損 壞。它還有一個充電控制引腳控制停止充電，當我們從外部 檢測電池過熱時。STNS0芯片在shutdown模式，電池電力消耗可以減少到500 nA，這樣可以最大化地保證電池壽命，尤其在貨架期間 或航運期間。芯片的封裝尺寸只有3×3mm，為智能手環的 PCB 布局減少了很多的空間。

圖2 STNS01最小系統原理

如圖2所示，其中芯片1管腳IN：電池管理芯片電壓輸 入引腳。

芯片2管腳SYS：電池管理芯片3.1V輸出引腳，可以提供 電源，跟LDI輸出引腳類似。

芯片3管腳LDO：電池管理芯片3.1V輸出引腳，具體見 芯片數據手冊描述。

芯片4管腳SD：LDO輸出控制引腳，默認上拉使能。

芯片5管腳CHG：電池管理芯片錯誤提示引腳，閃爍說 明電源存在問題。

芯片6管腳CEN：充電使能引腳，上拉使能。 芯片7管腳GND：地。 芯片8管腳NTC：外部熱敏電阻。 芯片9管腳ISET：充電電流控制引腳，接1kΩ電阻，電

流最大200mA。

圖3 三軸加速度傳感器LIS3DH最小系統原理圖

芯片10管腳BTMS：電池電壓輸出引腳，分壓之后一般 用來檢測電池端電壓。

芯片11管腳BATSNS：電池正極。

芯片12管腳BAT：電池正極。

1.2 三軸加速度傳感器

方案中， 我們用了2個三軸加速度傳感器， 其中一個 三軸加速度傳感器是做運動記錄的，我們可以使用傳感器 做計步、睡眠等算法；而另外一個三軸加速度傳感器是和 AS7000配合做動態心率檢測功能的。三軸加速度我們使用 的是意法半導體的LIS3DH，工作電流消耗最低位2uA，這款3×3×1mm的加速度傳感器最適合運動感應功能、空間和功 耗受限的應用設計，特別適合智能手環上的應用。

LIS3DH 在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范圍內，LIS3DH可提供非常 準確的測試數據輸出，在額定溫度和長時間工作下，仍能保持卓越的穩定性。本方案中，我們會使用LIS3DH完成計步功能的實現。計步器是一種日常鍛煉進度監控器，可以計算人們行走的步數，估計行走 距離、消耗的卡路里，方便人們隨時監控自 己的健身強度、運動水平和新陳代謝。

如圖3所示，芯片4、6是作為I2C通訊引 腳，分別是對于I2C的時鐘線和數據線。

芯片第7引腳是LIS3DH芯片從機地址的 選擇，接地代表本機從機7位地址是0x18，芯 片第8引腳接高電平，代表選擇的是I2C通訊 接口，如果接地代表選擇SPI通訊接口。

芯片9、11管腳：分別對應三軸傳感器 的中斷信號輸出引腳，一般用于數據緩存溢 出時的給MCU端的中斷信號，有利于我們在 做計步算法 的時候管理MCU的功耗。

1.3 AS7000動態心率檢測系統

心率我們采用AMS的心率檢測芯片AS7000，該產品包含了高度集成的光學傳感 器和相關軟件算法。它可提供行業領先的高 精度光學心率測量（HRM）和心率變（HRV） 測量。AS7000的運作基于光電容積脈搏波描記法（PPG）。心臟收縮和擴張時流經血 管血量的變化會引起血管的擴張及收縮從而對光產生調制，通過測量該調制光可測得心率。

與產生原始PPG數據的現有光學AFE不同， AS7000集成的微處理器可運行艾邁斯半導體開發的特 殊算法，將PPG數據轉換成HRM和HRV值。它內部集成了2 個綠色LED、光敏器件、模擬前段（AFE）、微處理器M0以及 HRM算法，它能實現高精度的測試，不管我們是在跑步、騎車，AS7000低噪聲和高靈敏度的模擬電路，算法結合加 速度傳感器，過濾虛假心跳PPG信號。同時，心率監督在智 能手環上的應用特別要考慮它的功耗問題，AS7000在心率 連續測試模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在測試待 機模式下，可以降低到0.8uA。

AS7000的芯片內部已經集成了心率采樣算法，所以我 們只要通過I2C接口去讀取數據。

如圖4所示，其中第13、14引腳是和Host主機端的I2C通 訊引腳。

第7、8引腳是AS7000的SWD仿真接口，AS7000內部是 一個M0內核的MCU，主要用于心率算法的處理。其中第8

圖4 AS7000原理

引腳 GPIO8是控制AS7000芯片是否進入待機模式，GPIO8輸 出高電平，AS7000待機；GPIO8輸出低電平，AS7000正常運 行模式。

第11、12引腳是AS7000和LIS3DH的I2C通訊引腳，主要 是因為AS7000在實現動態心率測試的時候，需要過濾掉運 動時產生的干擾。

第16引腳是GPIO5，在動態心率算法的時候，AS7000 需要三軸加速度傳感器數據，第一種是可以像本方案這樣單 獨掛一顆三軸加速度傳感器，另外一種是可以向主機請求三 軸加速度數據。GPIO5就是在第二種方式的時候使用到的。 但是考慮到三軸加速度的同步性問題，我們一般推薦第一種 方式。

第3引腳，是Sigref引腳，AS7000的SWD功能是內部可 以關閉的， 當我們關閉S WD時， 我們需要在A S7000的上 電前，把Sigref引腳接到地，此時從上電之后的5s時間內， SWD是活躍的，可以通過SWD接口實現對AS7000的程序燒 寫功能。

第1、2、17、18引腳是AS7000 LED燈的電源，我們最 好的設計是需要一顆DC/DC升壓到4V供電，為了確保足夠 大的LED電流，同時要注意的是DC/DC需要有一個EN使能 信號腳，用于控制功耗使用。本方案中我們是直接使用電池 電壓作為電源，在測試中我們需要注意在電池電壓3.6V以上 測試效果比較理想。同時我也使用了一個MOS管去控制整 個電源的導通或截止。

1.4 觸摸

我們選擇的是CY的SoC藍牙芯片CYBL10573，它內部集 成了Capacitive Sigma-Delta（CSD）模塊，可以提供一流的信噪 比和防水性能，所有GPIO都支持CapSense，使用靈活，并且支持單指和雙指觸摸應用。

1.5 OLED顯示

顯示這一塊我們選擇自發光OLED顯示屏，只要 有一組I2C通訊接口就可以實現酷炫的界面顯示。

1.6 手機app藍牙互聯

本方案我們使用CY的SoC藍牙芯片CYBL10573， 內部集成低功耗BLE藍牙模塊，BLE子系統包含鏈路 層引擎和物理層。鏈路層引擎支持主設備和從設備模 式。鏈路層引擎通過在硬件中實現了對時間有嚴格要 求的各項功能（ 如加密功能） ， 從而降低功耗， 并 提供最少的處理器干預和高性能特性。 關鍵協議元 素（如主機控制接口（HCI）和鏈路控制）都是通過固件實 現的。同時提供了直接測試模式（DTM），以便能夠使用 標準藍牙測試器來測試無線性能。物理層包含一個調制解 調器和一個射頻收發器，該收發器以1Mbps 的速度通過2.4

GHz ISM 帶傳輸和接收BLE 數據包。發送時，該模塊將進行 GFSK 調制，并在通過天線傳輸BLE 數據包之前將該數據包 的數字基帶信號轉換為射頻。進行接收時，該模塊會針對天 線中的射頻信號進行GFSK 解調，以獲得數字比特流。射頻 收發器包括集成的Balun。該Balun 提供了一個單端射頻端口 引腳，這樣能夠通過pi 匹配網絡驅動一個電阻為50歐的天線 終端。可以將輸出功率編程為–18 dBm ~ +3 dBm，以優化不 同應用程序的電流消耗。

2 系統軟件的功能設計和實現

最終智能手環要完成的功能：

1、基于AMS AS7000動態心率檢測;

2、基于意法半導體的電池管理芯片STNS01供電、充電 的電源管理系統;

3、基于三軸加速度傳感器芯片LIS3DH的計步運動量檢 測;

4、基于CY SoC藍牙的觸摸Touch功能實現，以及和手 機App BLE4.0藍牙信息交互功能;同時要完成SoC藍牙自身的 OTA升級和對AS7000的心率算法升級功能;

5、OLED的界面顯示;
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最終，通過本方案我們希望可以幫助客戶快速搭建自 己的智能手環系統。