Low-Power-Funktechnik für Herzfrequenz- und Fitness-Monitore
Fitness drahtlos überwachen
Geräte für die Herzfrequenz- und Fitness-Überwachung sind im Trend - vor allem kabellose Varianten, die Bewegungsfreiheit bieten und ein komfortables Übertragen der Daten erlauben, ohne dass man sie an ein anderes Gerät anstecken müsste. Basis solcher drahtlosen Lösungen sind stromsparende VHF/UHF-Sender, beispielsweise auf Basis der PLL-Technik (Phase-Locked Loop) mit Quarzreferenz.
Fitness-Überwachungsgeräte dienen der Erfassung und Aufzeichnung der körperlichen Aktivität mit dem Ziel, die Fitness der betreffenden Person zu verbessern. Hierzu werden verschiedene Parameter wie die Herzfrequenz, die Temperatur, die zurückgelegte Entfernung und die Zeit gemessen. Diese Informationen sammelt ein wie eine Armbanduhr zu tragendes Gerät und zeigt sie dem Anwender an. Ein Brustgurt erfasst die Herzfrequenz (in einigen Fällen auch die Temperatur), bereitet die Herzsignale vor der Datenwandlung auf und überträgt die Daten drahtlos an das am Handgelenk getragene Gerät.
Zur Ermittlung der zurückgelegten Distanz misst ein optionaler Sensor im Schuh die Schrittfrequenz eines Läufers und sendet diese Information ebenfalls drahtlos an die Armband-Anzeige (Bild 1).
Einige Lösungen kommen ohne diesen Fußsensor aus, indem sie die zurückgelegte Entfernung per GPS messen. Gemeinsames Merkmal all dieser Systeme ist der Trend zur drahtlosen Übertragung. So werden Kabel überflüssig, die lästig sind und die Bewegung eventuell einschränken. Nicht zuletzt ist es für den Benutzer komfortabler, wenn er die Daten aus seinen Überwachungsgeräten kabellos zum Beispiel an einen PC übertragen kann.
Strom sparen
Das Gerät am Handgelenk überwacht das Training in Echtzeit und legt die Ergebnisse entweder in einem Speicherchip oder im Mikrocontroller selbst ab. Diese lassen sich anschließend wahlweise über ein USB-Kabel oder drahtlos mithilfe eines USB-Port-Dongles in einen PC hochladen. Die Funksender solcher Lösungen dürfen nur mit geringer Leistung senden - nicht nur wegen der behördlichen Vorschriften, sondern auch um die Nutzungsdauer der platzbedingt sehr geringen Batteriekapazitäten zu optimieren.
Damit trotz der niedrigen Sendeleistung eine zuverlässige Datenübertragung gewährleistet ist, müssen Entwickler auf ein gutes Antennendesign achten - auch wenn die Übertragungsentfernung meist weniger als 2 m beträgt. Für diese Anwendung empfiehlt sich der Einsatz des Amplitudenumtastverfahrens (Amplitude Shift Keying - ASK), denn dieses ermöglicht eine höhere Empfindlichkeit als das Frequenzumtastverfahren (Frequency Shift Keying - FSK) und kommt deshalb mit weniger Sendeleistung aus.
Noch mehr Energie lässt sich sparen, wenn die Anwendung den Sender immer nur für kurze Zeit aktiviert und ihn in den dazwischen liegenden Phasen abschaltet. Abgesehen vom PC-Dongle sind sämtliche Komponenten des Fitnessmonitors batteriebetrieben und werden vom Anwender am Körper getragen.
Kleine Abmessungen und geringe Stromaufnahme sind deshalb vorrangige Designparameter. Als Stromversorgung für Brustgurt und Fußsensor kommen meist Knopfzellen (Primärbatterien) zum Einsatz, während das Gerät am Handgelenk wahlweise eine Knopfzelle oder ein Akku speist, der sich über ein Netzteil oder per USB laden lässt. Als Display für die Armbanduhr dient ein einfaches Segment-LCD.
Das in Bild 2 gezeigte Gesamtsystem umfasst die Funkschnittstelle, eine Power-Management-Einheit zur Maximierung der Batterielebensdauer sowie mehrere Schnittstellen zu Sensoren und Hostsystemen. Eine potenzielle Lösung für den HF-Teil ist in Bild 3 dargestellt.
Der VHF/UHF-Sender »MAX1472« mit Quarzreferenz auf Basis der PLL-Technik (Phase-Locked Loop) sendet die Daten hier im OOK/ASK-Verfahren (On-Off-Keying/Amplitude Shift Keying) in einem Frequenzbereich von 300 MHz bis 450 MHz. Der Baustein unterstützt Datenraten bis 100 KBit/s und liefert eine einstellbare Ausgangsleistung von mehr als +10 dBm (an 50 Ω). Durch die Architektur des MAX1472 auf Basis eines Quarzes entfallen viele im Zusammenhang mit SAW-Sendern (Surface Acoustic Wave, akustische Oberflächenwelle) gängige Probleme, denn der Baustein zeichnet sich durch größere Modulationstiefe, kürzere Frequenz-Einschwingzeiten, genauere Sendefrequenz sowie eine geringere Temperaturabhängigkeit aus.
Über den Autor:
John Dicristina ist Director of Strategic Marketing bei Maxim Integrated.
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