基于藍(lán)牙SOC的智能健康手表電子系統(tǒng)

樊國(guó)龍

（深圳市玉成創(chuàng)新科技有限公司研發(fā)部，深圳寶安，518126)

0 引言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)一步提高,人們已經(jīng)不僅僅滿足于生活的溫飽和娛樂(lè),而是更多的關(guān)注自身的健康。更多人去追求健康的生活方式。與此同時(shí),穿戴式智能設(shè)備概念的提出,為人們追求健康的生活方式提供了一個(gè)新的途徑。通過(guò)用穿戴式設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和睡眠時(shí)睡眠質(zhì)量的方式受到越來(lái)越多的人的接受和推崇[1]。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，人體的心率、血氧、心電、體溫參數(shù)，與人體的健康指數(shù)有著密切的關(guān)系[2~4]。現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)對(duì)手腕處光電、人體皮膚導(dǎo)通特性的參數(shù)采集，能夠計(jì)算出心率，血氧，血壓等各類(lèi)體征參數(shù)，并且能過(guò)濾出脈搏心電圖，為臨床醫(yī)學(xué)提供重要參考依據(jù)[5~7]。研究一種能夠測(cè)量人體各種體征參數(shù)的多功能穿戴智能健康手表電子系統(tǒng)，具有重要的市場(chǎng)價(jià)值和醫(yī)學(xué)價(jià)值。

1 系統(tǒng)功能模塊的劃分

圖1 所示為智能健康手表電子系統(tǒng)板塊框圖，根據(jù)智能健康手表電子系統(tǒng)所涉及到的幾項(xiàng)基本功能，可以將功能模塊劃分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)，顯示交互系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)幾個(gè)部分。各部分通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接到主控制系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)主控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)板塊業(yè)務(wù)邏輯的調(diào)度及交互控制。

圖1 智能健康手表電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)板塊框圖

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 主控制系統(tǒng)

圖2 所示為RTL8762D平臺(tái)的內(nèi)核基本架構(gòu)框圖[8]。其中包括Realtek提供的軟硬件平臺(tái)，即RTL8762D的最小系統(tǒng)。也是產(chǎn)品的中心部件。硬件層面上，包含了RTL8762D最小系統(tǒng)HDK。軟件層面上，包含了主控基本平臺(tái)搭建。包擴(kuò)原始平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)SDK框架、協(xié)議棧，以及產(chǎn)品應(yīng)用層UI、通信、驅(qū)動(dòng)、算法等框架在工程中的融合。是搭建所有上層應(yīng)用及交互顯示功能接口的基礎(chǔ)。

圖2 RTL876D2平臺(tái)的內(nèi)核基本架構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖3 所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分構(gòu)成框圖。采集系統(tǒng)包括對(duì)心電、心率、血氧、運(yùn)動(dòng)、睡眠、體溫、溫濕度、環(huán)境光等數(shù)據(jù)的采集。其中，對(duì)于這些參數(shù)的采集，可以分為以下幾個(gè)板塊。六軸板塊，用于采集睡眠、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。溫濕度、環(huán)境光板塊，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)。光電/PD板塊，用于采集心率、血氧等臟腑數(shù)據(jù)，心電板塊，用于采集心電數(shù)據(jù)。紅外溫度感應(yīng)板塊，用于采集體溫?cái)?shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)通過(guò)I2C、SPI和單總線，匯總到主控制系統(tǒng)MCU，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的操作響應(yīng)、保存、顯示、上報(bào)等邏輯。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分構(gòu)成框圖

2.3 存儲(chǔ)系統(tǒng)

圖4 所示為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)框圖。存儲(chǔ)系統(tǒng)包括對(duì)采集數(shù)據(jù)，用戶設(shè)置數(shù)據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)等非易失性數(shù)據(jù)的保存、讀取，同時(shí)包含對(duì)顯存、緩存等非易失性臨時(shí)數(shù)據(jù)的區(qū)域分配存放。非易失性存儲(chǔ)和緩存均包含了硬件層實(shí)現(xiàn)方式和軟件調(diào)度邏輯。對(duì)于程序、UI等只讀數(shù)據(jù)，基于flash物理連接和燒錄驅(qū)動(dòng)，通過(guò)燒錄或者無(wú)線升級(jí)的方式直接寫(xiě)入flash，在運(yùn)行時(shí)段，程序部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)XIP總線自動(dòng)調(diào)度。對(duì)于采集數(shù)據(jù)，基于flash的物理連接和文件系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)于APP設(shè)置參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、用戶配置參數(shù)，基于flash物理連接和底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行存儲(chǔ)。所有的邏輯部分，基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動(dòng)接口，通過(guò)應(yīng)用層調(diào)度邏輯實(shí)現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)框圖

2.4 顯示交互系統(tǒng)

圖5 所示為顯示交互系統(tǒng)框圖。顯示系統(tǒng)包括界面設(shè)計(jì)在產(chǎn)品端的展示以及界面之前的切換邏輯。分為硬件和軟

圖5 顯示交互系統(tǒng)框圖

件兩大塊。硬件構(gòu)造包含了LCD及顯示驅(qū)動(dòng)相關(guān)器件，交互器件即觸摸屏、按鍵在系統(tǒng)中的排布和連接。軟件部分，其中包含了UI素材的導(dǎo)入以及嵌入式軟件交互邏輯集成，交互邏輯包含了嵌入式端顯示、交互器件的驅(qū)動(dòng)及算法，平臺(tái)顯示框架，以及應(yīng)用層界面邏輯幾個(gè)板塊層次。

2.5 通信系統(tǒng)

圖6 所示為通信交互部分原理框圖。按照業(yè)務(wù)邏輯主要可以分為物理層，嵌入式系統(tǒng)層，APP接口層三大部分。物理層包括載波天線及其周邊布局，用于確保基帶的穩(wěn)定傳輸。嵌入式系統(tǒng)層基于RTL8762D自帶的藍(lán)牙Ble5.1的協(xié)議棧及手表應(yīng)用層藍(lán)牙通信協(xié)議的相關(guān)資源整合，可以劃分為Realtek藍(lán)牙協(xié)議棧框架，手表通信協(xié)議框架，應(yīng)用層收發(fā)機(jī)響應(yīng)邏輯三個(gè)部分。APP接口層則是依照手表通信協(xié)議編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的SDK資源包實(shí)現(xiàn)接口。

圖6 通信交互部分原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件構(gòu)成

圖7 所示為主板硬件構(gòu)成框圖。包含了各類(lèi)器件選型及連接方式，通過(guò)8080接口及連接TFT顯示器,在I2C總線上，同時(shí)掛載了觸摸屏，環(huán)境溫濕度，環(huán)境光，加速度計(jì)，以及PPG光電IC驅(qū)動(dòng)，在SPI總線上，掛載了PSRAM、FLASH存儲(chǔ)器件，以及ADS1291高速心電驅(qū)動(dòng)。通過(guò)單總線連接按鍵，紅外體溫傳感器。所有的數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線匯總到主控制器RTL8762D。

圖7 硬件構(gòu)成框圖

3.2 樣機(jī)實(shí)物

圖8 所示為本文所設(shè)計(jì)的智能健康手表系統(tǒng)框架指導(dǎo)下研發(fā)的樣機(jī)實(shí)物。支持自動(dòng)和手動(dòng)測(cè)量心率、血氧，體溫，環(huán)境溫濕度，環(huán)境光等各項(xiàng)參數(shù)。其體積小，參數(shù)齊全，便攜式穿戴的特點(diǎn)適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品多功能集成化的需求。

圖8 樣機(jī)實(shí)物

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案采用了最新的系統(tǒng)級(jí)藍(lán)牙芯片作為主控，綜合了測(cè)量、采集、存儲(chǔ)、顯示、通信交互各項(xiàng)功能，集成度高，并能通過(guò)APP藍(lán)牙將數(shù)據(jù)推流至服務(wù)器后臺(tái)，符合大數(shù)據(jù)時(shí)代下人們對(duì)健康數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基本需求。目前該智能健康手表電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)已得到方案公司的廣泛應(yīng)用及投產(chǎn)。