一种可穿戴设备的制作方法

1.本技术涉及一种可穿戴设备。


背景技术：

2.随着移动互联网技术的发展，出现了大量使用移动互联网技术进行人体监测的技术，为使用者提供身体状态评估服务。在借助信号采集器进行身体状态评估时，由于信号采集器多数是检测单一部位的人体信号，因此实际应用中，大多需要借助多个信号采集器进行各个部位的人体信号采集。例如，用于采集前臂emg(electromyography，肌电波)信号的采集器采集到的前臂信号包括包含手部和腕部的动作信息但不包含前臂动作信息，用于采集上臂emg信号的采集器采集到的信号包括前臂和肘部的动作信息但不包括上臂动作信息，在前臂和手部同时有动作时，就需要利用这两类采集器同时采集信号用以评估，评估所用的信号需要将时间戳严格对齐来分析动作的关联性。
3.在相关技术中，都是采用长导线的方式将各个电极连接到一个中心采集节点的处理方式，但电极线太长会引入环境干扰因素，例如引进工频干扰，并且由于线束太多太长，使得佩戴和操作也相当不方便。
4.随着可穿戴技术的发展，出现了利用无线采集节点代替长导线连接中心采集节点的情况，无线采集节点解决了线束的约束问题，但由于不同无线采集节点相互之间的时间戳信息无法完全同步，空中校准时钟又无法做到毫秒甚至微秒精度；在业务层获取到各无线采集节点的人体信号后，由于基准时钟不同，无法做到各无线采集节点间人体信号在时间上的精确对齐，导致无法准确描述各部位人体信号之间的关联性。


技术实现要素：

5.本技术的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特提出以下技术方案，通过人体表面传输同步信号的瞬时性，使得可穿戴设备之间可以基于该同步信号实现时钟的精准同步。
6.本技术实施例采用下述技术方案：
7.本技术实施例提供一种可穿戴设备，包括：中央处理器，与中央处理器连接的信号发生电路，与信号发生电路可断开连接的第一电极；
8.中央处理器，向所述信号发生电路发送控制指令；
9.信号发生电路，接收所述控制指令，生成同步基准信号并将所述同步基准信号发送给所述第一电极；
10.第一电极在连接所述信号发生电路时，接收所述同步基准信号，并向人体表面发射所述同步基准信号。
11.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
12.复用可穿戴设备的一组电极，在可穿戴设备中增设信号发生电路，使信号发生电路分别连接可穿戴设备的中央处理器和该电极，在可穿戴设备需要进行人体信号采集之
前，利用中央处理器向信号发生电路发出控制指令，信号发生电路在接收到控制指令时，生成同步基准信号并通过电极发射到人体表面，由于可以忽略人体表面对同步基准信号的传输延时，因此其他可穿戴设备可以基于同步基准信号的侦测时间确定其他可穿戴设备相对于主设备的时间延时，利用时间延时校准其他可穿戴设备所采集的人体信号的时间戳信息，使得不同可穿戴设备采集的人体信号具有相同的信号采集起始时间，这样上层应用可以基于校准后的时间戳信息对不同可穿戴设备采集的人体信号进行精准对齐。
附图说明
13.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
14.图1为现有技术中两采集部位的人体信号延时示意图；
15.图2为本技术实施例中示出的不同佩戴位置处的两可穿戴设备对同步信号的侦测时间差异示意图；
16.图3为本技术实施例中示出的时钟校准后的两采集部位的人体信号时间同步示意图；
17.图4为本技术实施例中示出的一种可穿戴设备的结构示意图；
18.图5为本技术实施例中示出的可穿戴设备的电路图；
19.图6为本技术实施例中示出的信号发送电路示意图；
20.图7为本技术实施例中示出的信号发生电路的电路参数示意图；
21.图8为本技术实施例中示出的信号发生电路相关节点输出的信号波形图；
22.图9为本技术实施例中示出的电阻矩阵示意图；
23.图10为本技术实施例中示出的信号接收电路示意图；
24.图11为本技术实施例中示出的信号接收电路的电路参数示意图；
25.图12为本技术实施例中示出的信号接收电路相关节点输出的信号波形图。
具体实施方式
26.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.本技术的发明人在研究和实践利用多个相互独立的可穿戴设备采集人体不同部位的人体信号时，发现由于不同可穿戴设备的时钟无法完全同步，而空中校准时钟又无法做到毫秒或者微秒级别的精度，使得上层应用在获得到各个可穿戴设备采集的人体信号时，无法对各个可穿戴设备的人体信号进行精确对齐，对人体状态/行为评估产生影响。
28.以监测乒乓球挥拍运动场景为例，在该场景中，需要在前臂和上臂两个部位处都穿戴上可穿戴设备，例如穿戴上emg测量设备才能同时监控手部和前臂部分的动作。
29.在上层应用接收到这两个可穿戴设备上传的人体信号时，由于两个可穿戴设备没有基准时间戳，只能基于二者自身时钟生成的时间戳绘制时域信号，如图1所示，节点a和节点b的信号存在明显的时间延迟，在时域上无法准确分辨这两个动作信号之间的关联性。这
里节点a对应为穿戴在前臂处的可穿戴设备，节点b对应为穿戴在上臂处的可穿戴设备。
30.针对上述问题，本技术的发明人想到：复用可穿戴设备的一组电极，利用人体是导体，电信号在人体表面上的传输延时可以认为是零的客观事实，将穿戴在各个部位上的可穿戴设备侦听到同一同步信号的时间差异确定为可穿戴设备对信号处理的时间延时差异。由此，基于时间延时对信号采集起始时间进行校准，使得不同可穿戴设备对同一人体动作采集到的不同人体信号具有相同的信号采集启示时间，这样上层应用可以基于校准后的时间戳信息将不同可穿戴设备采集的人体信号进行精准对齐。
31.仍以上述监测乒乓球挥拍运动场景为例，假设节点a在时间点ta侦测到同步信号，节点b在时间点tb侦测到同步信号，由于该同步信号是在时刻t0发射到人体表面，而该同步信号在人体表面上的传输延时接近为零，可以忽略。若将时间点ta作为节点a采集人体信号的时间原点，将时间点tb作为节点b采集人体信号的时间原点，由此形成图3所示的时间轴，以图3所示时间轴绘制两个节点采集的人体信号，不同节点的同一动作信息可以在时域上完美对齐。
32.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
33.本技术一个实施例提供了一种可穿戴设备，如图4所示，提供了本技术实施例中一种可穿戴设备的结构示意图，该可穿戴设备包括：中央处理器(central processing unit，cpu)410，与cpu 410连接的信号发生电路420，与信号发生电路420可断开连接的第一电极430；
34.cpu 410，向信号发生电路420发送控制指令，此外cpu 410还用于管理可穿戴设备，以及通过无线传输技术与其他设备进行信息交互；
35.信号发生电路420，接收上述控制指令，生成同步基准信号并将同步基准信号发送给第一电极430；
36.第一电极430在连接信号发生电路420时，接收上述同步基准信号，并向人体表面发射该同步基准信号。
37.本技术实施例可以复用可穿戴设备原有的一组电极，基于人体可作为导体传播微弱信号的原理，只需要在可穿戴设备中为该组电极配置信号发生电路，借助信号发生电路、电极和人体实现同步基准信号的生成与发射，为其他可穿戴设备基于同步基准信号进行时间戳校准提供基础。
38.在本技术的一个实施例中，如图5所示，信号发生电路包括：与cpu连接的脉冲源，与脉冲源连接的第一信号转换电路，与第一信号转换电路连接的电阻矩阵；
39.脉冲源，例如是图5中示出的cpu的gpio(general purpose input output，通用输入/输出口)信号，或者例如是图6示出的时钟源，脉冲源接收来自cpu的控制指令，生成直流脉冲信号并将该直流脉冲信号发送给第一信号转换电路；第一信号转换电路，接收该直流脉冲信号，生成差分信号并将该差分信号发送给电阻矩阵；电阻矩阵，接收该差分信号，对该差分信号进行限流处理，得到同步基准信号并发送给第一电极。
40.其中，第一信号转换电路将单端的直流脉冲信号转换为双端的差分信号。如以图6所示电路为例，将时钟源(clock_in)作为脉冲源生成直流脉冲信号，直流脉冲信号输入给第一信号转换电路。这里第一信号转换电路包括：第一运放支路和第二运放支路，第一运放支路将直流脉冲信号同相输出，第二运放支路将直流脉冲信号反相输出，由此通过第一运
放支路和第二运放支路对直流脉冲信号的处理，将单端的直流脉冲信号转换为双端的差分信号，并将双端的差分信号通过电阻矩阵进行电流等级调整；其中电阻矩阵包括多个电阻通路，每个电阻通路的电阻等级不同；电阻矩阵还连接cpu，接收cpu的控制指令，选择与控制指令对应的电阻通路对差分信号进行限流处理，这里每个电阻通路的等效电阻值不同。
41.在本实施例的一个应用实例中，如图7所示，第一运放支路包括：第一运算放大器d1和第十电阻r10，直流脉冲信号输入到第一运算放大器d1的正极输入端，第一运算放大器的负极输入端通过第十电阻r10后连接到第一运算放大器的输出端。第二运放支路包括：第二运算放大器d2、第十二电阻r12和第十四电阻r41，直流脉冲信号还通过第十四电阻r14后输入到第二运算放大器d2的负极输入端，第二运算放大器d2的正极输入端连接参考电源ref，第二运算放大器d2的负极输入端还通过第十二电阻r12连接第二运算放大器d2的输出端。
42.在本实施例中，分别在第一运放支路的输出端连接第一电阻矩阵和在第二运放支路的输出端连接第二电阻矩阵，这里第一电阻矩阵和第二电阻矩阵为同一电阻矩阵。图9示例示出电阻矩阵包括三个电阻通路，第一电阻通路中的第一电阻r1为20ω，第二电阻通路中的第二电阻r1为40ω，第三电阻通路中的第三电阻r3为40ω，第三电阻通路处于导通状态，第一电阻通路和第二电阻通路可以通过开关实现与第一电阻通路的并联，通过控制第二电阻通路和第三电阻通路的导通或断开调整整个电阻矩阵的等效阻值。当然，本领域技术人员可以灵活设置电阻矩阵的电路结构和元器件参数，本实施例对此不作具体限定。
43.由于人体不同距离的阻抗不同，所以可穿戴设备穿戴在不同人体位置时，可以使差分信号通过具有不同等效电阻的电阻矩阵来调节差分信号的电流强度，以使不同穿戴位置的可穿戴设备接收到的同步基准信号的幅值基本一致。例如在可穿戴设备相对其他可穿戴设备的穿戴距离较远时，可以通过cpu的控制指令控制第二电阻通路与第一电阻通路并联，以减小电阻矩阵的整体电阻，匹配出该佩戴距离对应的电流强度，通过该电阻矩阵的限流处理后，将满足安全要求的差分信号通过第一电极输出到人体表面。
44.在图7所示的电路结构中，时钟源clock_in的时钟信号、信号发生电路第一输出端out1、信号发生电路第二输出端out2的同步基准信号的信号波形如图8所示，三路信号所在的栅格单位相同，都为2v，从图8所示的波形图可以直观的看出：
45.时钟信号与同步基准信号的频率是相同的，以便于信号接收电路基于侦测到的信号的频率信息判断同步基准信号；由于通过电阻矩阵对信号进行了电流强度调整，因此时钟信号与同步基准信号幅度一般是不同的。
46.如图10所示，本技术一个实施例中的可穿戴设备还包括与cpu连接的信号接收电路，该信号接收电路可断开连接第二电极；
47.第二电极，从人体表面侦测信号，其中第二电极侦测到的信号同步基准信号以及人体信号；信号接收电路在连接第二电极时，接收由第二电极发送的信号并处理，将处理后的信号发送给cpu；cpu接收该信号接收电路发送的信号，并判断信号是否为同步基准信号。
48.其中，第一电极与第二电极为同一个电极或为不同的电极，优选地，可以选择为同一个电极设置信号发生电路和信号接收电路，便于对现有技术中的可穿戴设备进行改进，使得改进过程中只需要复用可穿戴设备的一个电极，对可穿戴设备的原本的电路结构改动较小。
49.在本技术的一个实施例中，参考图10，信号接收电路包括：与第二电极可断开连接的第二信号转换电路，与第二信号转换电路连接的放大电路，其中放大电路还连接cpu；第二信号转换电路，将接收到的双端信号转换为单端信号，并将单端信号发送给放大电路；放大电路，接收该单端信号并放大，将放大后的单端信号发送给cpu。
50.在本实施例的一个应用实例中，如图11所示，第二信号转换电路包括：第三运放支路、第四运放支路、第五运算放大器d5、第九电阻r9、第十五电阻r15、第十六电阻r16和第十八电阻r18；
51.其中，第三运放支路包括：第三运算放大器d3、第四电容c4、第七电阻r7，第二电极侦测的信号通过第四电容c4之后输入到第三运算放大器d3的正极输入端，第三运算放大器d3的负极输入端连接到第三运算放大器d3通过第七电阻r7后的输出端；
52.第四运放支路包括：第四运算放大器d4、第六电容c6和第十一电阻r11，第二电极侦测的信号还通过第六电容c6之后输入到第四运算放大器d4的正极输入端，第四运算放大器d4的负极输入端连接到第四运算放大器d4通过第十一电阻r11后的输出端，第三运算放大器d3的负极输入端与第四运算放大器d4的负极输入端还通过第九电阻r9相连接；
53.第三运算放大器d3的负极输入端还通过第十五电阻r15连接第五运算放大器d5的负极输入端，第四运算放大器d4的负极输入端还通过第十六电阻r16连接第五运算放大器d5的正极输入端，第五运算放大器的负极输入端还通过第十八电阻r18连接第五运算放大器d5的输出端，第五运算放大器d5的输出端即为第二信号转换电路的输出端；
54.放大电路包括：第六运算放大器d6、第十电容c10、第二十电阻r20和第二十一电阻r21，第六运算放大器d6的负极输入端通过依次第二十电阻r20和第十电容c10后连接第五运算放大器d5的输出端，第六运算放大器d6的负极输入端通过第二十一电阻r21连接第六运算放大器d6的输出端，第六运算放大器d6的正极输入端连接参考电源，第六运算放大器的输出端连接cpu。
55.在图11所示的电路结构中，信号接收电路第一输入端in1、信号接收电路第二输入端in2，合成后的单端信号，输入给cpu的信号的波形如图12所示，各个节点处的信号频率是相同的，不同的是信号的幅值，对比图8所示信号的信号频率，cpu即可确定出第二电极侦测到的信号是否为同步基准信号，使得cpu可以根据接收到的同步基准信号校准人体信号的时间戳信息，使得不同可穿戴设备对同一人体动作采集到的不同人体信号具有相同的信号采集起始时间。
56.为复用可穿戴设备的第一电极和第二电极，本技术实施例设置选通开关实现信号发生电路与第一电极之间的可断开连接，以及实现信号接收电路与第二电极之间的可断开连接。
57.在一个实施例中，该可穿戴设备还包括选通开关，该选通开关包括固定端、控制端和至少两个信号端；选通开关的第一信号端连接电阻矩阵，选通开关的第二信号端连接第二信号转换电路，固定端连接第一电极或第二电极，控制端连接cpu，控制端控制固定端与第一信号端的连接与断开，以及控制固定端与第二信号端的连接与断开。
58.上述实施例通过设置一个选通开关实现信号发生电路、第一电极、信号接收电路、第二电极之间的连接与断开，当然，在实际应用中，本领域技术人员可以灵活设置选通开关的数量，实现信号发生电路、第一电极、信号接收电路、第二电极之间的可断开连接。
59.在本技术的一个实施例中，可穿戴设备可用emg电极，相应的，可穿戴设备还包括与cpu连接的emg接收电路，该emg接收电路可断开的连接第一电极或第二电极。
60.在本实施例中，设置上述选通开关还包括第三信号端，该第三信号端连接emg接收电路，控制端进一步控制该固定端与第三信号端的连接与断开。
61.综合上述，本技术实施例的可穿戴设备在进行人体信号采集之前，例如在采集emg信号之前，可穿戴设备a的cpu先通过控制指令控制选通开关，通过选通开关将可穿戴设备a的信号发生电路与第一电极连接，可穿戴设备b的cpu通过控制指令控制选通开关，通过选通开关将可穿戴设备b的信号接收电路与第二电极连接，然后可穿戴设备a的cpu通过控制指令指示信号发生电路生成同步基准信号并将该同步基准信号通过第一电极发射到人体表面，可穿戴设备b的第二电极在侦测到人体表面信号时，将该人体表面信号通过信号接收电路将人体表面信号处理后发送给可穿戴设备b的cpu，可穿戴设备b的cpu根据该人体表面信号的频率判断出其为同步基准信号，根据同步基准信号校准时间戳信息；之后即可通过cpu控制选通开关，使第一电极、第二电极与各自的emg接收电路连接，利用校准后的时间戳信息对电极侦测到的emg信号进行时间戳处理。
62.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。