可穿戴设备的光路结构和工艺设计介绍

随着可穿戴设备逐渐从运动助手、娱乐工具的产品定位升级到健康伴侣，具备PPG(光电容积脉搏波描记法)测量心率(HR)、血氧饱和度(SpO2)及其他生物计量指标，也成为“刚需”功能。因此，可穿戴设备面临的挑战：如何在终端应用整体方案的基础上，设计出一款高精度、高可靠，甚至满足临床级的PPG测量方案?此文将提供多种可穿戴设备的PPG测量方案设计，满足终端客户的设计需求。

通常来说，PPG测量方案由光发射器(发光二极管，LED)、光感应器(光电二极管，PD)、模拟前端(AFE)芯片及加速计构成。PPG检测即通过光发射器将光波照进皮肤内部，再由光感应器接收光强变化，最后通过模拟前端芯片将模拟信号转换成数字信号，进而获取PPG原始信号。其间，加速计可测量人体运动状态，与光信号结合使用，可作为PPG算法输入。在PPG检测后期，可通过复杂的算法，处理来自模拟前端和加速计的原始信号，从而生成持续的运动容错心率、血氧数据和其他生物计量数据。

PPG的心率检测原理：利用人体的血液容积会随着心脏律动呈搏动性变化，光感应器接收的光强也随之呈搏动性变化。通过PPG模拟前端(AFE)芯片调节，即可将光强变化信号转换为电信号，由此计算心率值。PPG的血氧饱和度检测原理：利用氧中血红蛋白与脱氧血红蛋白对红光(660nm)和红外光(940nm)的吸收光谱不同，测量氧和血红蛋白的浓度，即可提供可连续的动态血氧监测PPG信号。

PPG光路结构和工艺设计介绍，PPG检测结果的精度与原始信号的质量和稳定性密切相关，而原始信号与PPG光路结构设计密切相关。因此，拥有高品质的PPG光路结构和工艺设计，是可穿戴设备实现高精度PPG检测功能的基础。PPG光路结构设计，主要包括光学小板布局、光窗设计和相关结构工艺选择等。其中，PD与LED透光光窗的光路传导路径及结构叠层(LED沿手臂方向摆放。

在我们的日常生活中，可穿戴电子产品已经无处不在。相比于最初的产品，如今的可穿戴设备不再只是独立的设备，从智能手表到智能眼镜再到医疗贴片，它们正在成为人们健康生活方式的关键部分。

2025年的全球可穿戴设备市场有望进入全面转型阶段，主要有两个方面的原因：一是许多尖端技术诸如生成式人工智能、增强的连接性、新一代短距无线通信等正在走进现实生活;二是消费者对健康和健身跟踪的需求有了翻天覆地的变化。技术进步和不断变化的创新需求正在重塑该行业。

可穿戴设备的五大发展趋势

可穿戴设备正在成为健康监测不可或缺的工具。2025年，可穿戴设备的发展重点将放在先进的健康监测、人工智能(AI)驱动的个性化以及与智能家居和AR系统的无缝集成上。

趋势1：AI在可穿戴设备中的作用日益增强

人工智能正在迅速改变可穿戴技术的格局。健康跟踪一直是可穿戴设备的核心，但在2025年，人工智能驱动的可穿戴设备将变得更加智能和直观。

配备了下一代生物识别传感器的智能手表、戒指和其他可穿戴设备，其功能不再仅限于步数和心率监测，人工智能算法将为这些设备带来新的功能，包括连续血糖跟踪、水合监测和压力检测，可监测的生物体征将越来越多。例如，智能戒指被证明对睡眠跟踪特别有效，它可以更深入地了解佩戴者的睡眠质量、氧饱和度和夜间心率变异性。随着健康可穿戴设备变得更加智能，它们的作用将从简单地跟踪数据，跨越到在症状出现之前检测潜在的健康问题。此时，人工智能驱动的个人健康教练很可能成为游戏规则的改变者，以健身为重点的可穿戴设备将通过健康评分以及锻炼模式分析，为佩戴者提出健身计划、饮食调整等建议，甚至根据运动模式预测受伤的风险。

趋势2：智能手表成为腕戴式可穿戴市场重要推手

智能手表正在通过人工智能、健康监测和连接方面的创新推动可穿戴市场的发展。无创血糖监测是可穿戴技术中最受期待的突破之一，这项创新无需对手指进行点刺即可为用户提供实时血糖跟踪。据彭博社的报道，几家国际手机大厂正在大力投资这一功能，并着力将其整合到他们的下一代智能手表中。

趋势3：先进的传感器技术推动可穿戴设备创新

市场上对具有睡眠和压力监测的可穿戴设备的需求持续增长，可用于心电图、血氧和睡眠监测的先进传感器则是改变可穿戴健康跟踪功能的推动者。传感器技术的应用使得这些功能在各个价格范围内均变得越来越容易获得，从而实现更大的可穿戴设备的功能创新。

趋势4：智能眼镜和智能戒指成为市场新的增长点

极简主义和功能化是新一代消费品的发展趋势。智能眼镜和智能戒指凭借其轻巧的设计和创新的健康跟踪功能越来越受欢迎。尤其是智能戒指，正在成为下一个必备的可穿戴设备，可全天候自然佩戴的戒指更容易获取连续且准确的健康监测数据，这些小巧而强大的设备正在通过提供许多相同的功能如健康跟踪、非接触式支付和智能家居控制等向智能手表的市场地位发起挑战。

与此同时，性能得到极大改善的增强现实可穿戴设备正在重塑消费者对可穿戴技术的期望，2025年将是AR眼镜和混合现实耳机实现重大飞跃的一年。

趋势5：超越健康监测，与更大的生态系统整合

2025年的可穿戴设备将超越健康追踪成为物联网(IoT)系统的核心，届时可穿戴设备通过与其他智能设备进行交互进而创建一个互联的生态系统。智能手表和智能戒指等设备现在正在展开与智能家居系统、增强现实(AR)平台甚至汽车系统的集成。例如，智能戒指或智能手表可以充当数字钥匙，允许用户在没有物理钥匙的情况下解锁车门或启动车辆。

可穿戴产品的设计挑战及解决方案

可穿戴电子设备的功能已经变得越来越强大，它们可以监测人类健康、活动和环境的各个方面。然而，这些设备也面临着电池寿命、数据隐私和网络带宽有限等挑战。

为了克服这些挑战并增强可穿戴设备的功能，设备中引入了边缘计算和AI/ML技术。通过运行AI/ML模型，可穿戴设备可以从数据中学习并执行识别、分类、预测和优化等任务，而不会产生额外的延迟、数据成本和功耗。同时，AI/ML算法还可以被用来拓展可穿戴设备的功能，如通过处理收集的生物特征数据检测佩戴者的心率、血压和氧饱和度等。

嵌入式微控制器(MCU)和应用处理器可提供更强的处理能力，同时还能保持超低功耗以及足够小的封装尺寸，非常适合可穿戴设备方案。

STMicroelectronics的STM32U575xx器件属于超低功耗微控制器，已被很多可穿戴方案选用。这款MCU基于高性能Arm Cortex-M33 32位RISC内核，工作频率高达160MHz，内核中带有单精度FPU(浮点运算单元)，支持所有ARM单精度数据处理指令和所有数据类型。此外，该内核还具备一套完整的DSP(数字信号处理)指令集和增强应用安全的MPU(存储器保护单元)。在安全方面，这款器件提供了符合Arm TBSA(基于信任的安全架构)要求的安全基础，其中内置了实现安全启动、安全数据存储和安全固件更新所需的安全功能。

可穿戴设备类型多样，主要包括以下几类：

智能手表

智能手表是穿戴设备中最常见且功能全面的设备之一。它们不仅可以显示时间，还能接收通知、监测健康数据(如心率、血氧、睡眠质量等)、进行运动追踪(如步数、距离、卡路里消耗等)，并具备支付、音乐播放、拍照等附加功能。智能手表通常配备触摸屏和多种应用程序，用户可以通过下载和安装应用程序来扩展其功能。

智能手环

智能手环是另一种流行的穿戴设备，主要用于健康监测和运动追踪。它们通常比智能手表更轻便、价格更实惠，并具备心率监测、睡眠监测、计步等核心功能。智能手环的外观设计多样，适合不同风格和需求的用户。

智能眼镜

智能眼镜是一种具有增强现实或虚拟现实功能的穿戴设备。它们可以提供导航、拍照、观影、游戏等多种体验，并通过内置传感器和摄像头捕捉用户周围的信息。智能眼镜在特定场景下非常有用，如旅游、教育、娱乐等。

智能服装

智能服装是一种集成了智能传感器的衣物，可以实时监测身体的各项指标，如体温、心率、呼吸等。这些服装通常用于健身、运动或医疗领域，帮助用户更好地了解自己的身体状况。

其他特殊功能设备

除了上述几种常见的穿戴设备外，还有一些其他类型的设备，如智能鞋子、智能手套、智能袜子、智能头盔等。这些设备通常具有特定的功能和应用场景，如提高生产效率、监测健康数据等。这些可穿戴设备各具特色，功能丰富，满足了用户在健康、运动、娱乐等多个方面的需求。