基于藍牙SOC的智能健康手表電子系統(tǒng)

樊國龍

（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

隨著社會的飛速發(fā)展和人民生活水平的進一步提高,人們已經(jīng)不僅僅滿足于生活的溫飽和娛樂,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,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新的途徑。通過用穿戴式設(shè)備來監(jiān)測用戶運動時的各項數(shù)據(jù)和睡眠時睡眠質(zhì)量的方式受到越來越多的人的接受和推崇[1]。

據(jù)相關(guān)文獻顯示，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)通過對手腕處光電、人體皮膚導通特性的參數(shù)采集，能夠計算出心率，血氧，血壓等各類體征參數(shù)，并且能過濾出脈搏心電圖，為臨床醫(yī)學提供重要參考依據(jù)[5~7]。研究一種能夠測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)，具有重要的市場價值和醫(yī)學價值。

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)，存儲系統(tǒng)，顯示交互系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)幾個部分。各部分通過數(shù)據(jù)總線連接到主控制系統(tǒng)，并通過對主控制系統(tǒng)軟件開發(fā)，實現(xiàn)對各個板塊業(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)計板塊框圖

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 主控制系統(tǒng)

圖2 所示為RTL8762D平臺的內(nèi)核基本架構(gòu)框圖[8]。其中包括Realtek提供的軟硬件平臺，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搭建。包擴原始平臺的嵌入式系統(tǒng)SDK框架、協(xié)議棧，以及產(chǎn)品應(yīng)用層UI、通信、驅(qū)動、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)包括對心電、心率、血氧、運動、睡眠、體溫、溫濕度、環(huán)境光等數(shù)據(jù)的采集。其中，對于這些參數(shù)的采集，可以分為以下幾個板塊。六軸板塊，用于采集睡眠、運動數(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，用于采集體溫數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)通過I2C、SPI和單總線，匯總到主控制系統(tǒng)MCU，并根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的操作響應(yīng)、保存、顯示、上報等邏輯。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分構(gòu)成框圖

2.3 存儲系統(tǒng)

圖4 所示為數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)框圖。存儲系統(tǒng)包括對采集數(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，同時包含對顯存、緩存等非易失性臨時數(shù)據(jù)的區(qū)域分配存放。非易失性存儲和緩存均包含了硬件層實現(xiàn)方式和軟件調(diào)度邏輯。對于程序、UI等只讀數(shù)據(jù)，基于flash物理連接和燒錄驅(qū)動，通過燒錄或者無線升級的方式直接寫入flash，在運行時段，程序部分數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)XIP總線自動調(diào)度。對于采集數(shù)據(jù)，基于flash的物理連接和文件系統(tǒng)進行存儲。對于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)動進行存儲。所有的邏輯部分，基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動接口，通過應(yīng)用層調(diào)度邏輯實現(xiàn)。

圖4 數(shù)據(jù)存儲管理系統(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)動及算法，平臺顯示框架，以及應(yīng)用層界面邏輯幾個板塊層次。

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自帶的藍牙Ble5.1的協(xié)議棧及手表應(yīng)用層藍牙通信協(xié)議的相關(guān)資源整合，可以劃分為Realtek藍牙協(xié)議棧框架，手表通信協(xié)議框架，應(yīng)用層收發(fā)機響應(yīng)邏輯三個部分。APP接口層則是依照手表通信協(xié)議編寫對應(yīng)的SDK資源包實現(xiàn)接口。

圖6 通信交互部分原理框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 硬件構(gòu)成

圖7 所示為主板硬件構(gòu)成框圖。包含了各類器件選型及連接方式，通過8080接口及連接TFT顯示器,在I2C總線上，同時掛載了觸摸屏，環(huán)境溫濕度，環(huán)境光，加速度計，以及PPG光電IC驅(qū)動，在SPI總線上，掛載了PSRAM、FLASH存儲器件，以及ADS1291高速心電驅(qū)動。通過單總線連接按鍵，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 樣機實物

圖8 所示為本文所設(shè)計的智能健康手表系統(tǒng)框架指導下研發(fā)的樣機實物。支持自動和手動測量心率、血氧，體溫，環(huán)境溫濕度，環(huán)境光等各項參數(shù)。其體積小，參數(shù)齊全，便攜式穿戴的特點適應(yīng)市場對電子產(chǎn)品多功能集成化的需求。

圖8 樣機實物

4 結(jié)束語

本設(shè)計方案采用了最新的系統(tǒng)級藍牙芯片作為主控，綜合了測量、采集、存儲、顯示、通信交互各項功能，集成度高，并能通過APP藍牙將數(shù)據(jù)推流至服務(wù)器后臺，符合大數(shù)據(jù)時代下人們對健康數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的基本需求。目前該智能健康手表電子系統(tǒng)設(shè)計已得到方案公司的廣泛應(yīng)用及投產(chǎn)。