3. 可穿戴数据采集硬件与嵌入式基础
可穿戴临床传感系统的数据质量，并不是从算法阶段才开始决定的。它首先被采集前端的模拟链路、ADC 量化过程、MCU/SoC 的时序调度、BLE 传输策略以及整机功耗管理共同塑造。理解这些硬件与嵌入式因素，才能判断一条 PPG、ECG 或加速度信号是否“可信”，以及误差究竟来自生理变化、电极接触，还是采样与传输环节。
采样率：决定时间轴是否够用
采样率首先受奈奎斯特准则约束：要无混叠地重建带宽为 fmax 的信号，采样率 fs 必须大于 2fmax。但临床可穿戴信号往往还需要保留波形形态，因此实际取值远高于理论下限。例如 ECG 诊断带宽约 0.05–150 Hz，若只做心率监测，125–250 Hz 已足够；若要观察 QRS 形态、ST 段趋势或进行心律失常分析，常取 250–500 Hz。PPG 的脉搏波基频约 0.5–5 Hz，但为提取上升时间、反射波等形态特征，通常取 50–125 Hz。加速度计用于步态或震颤分析时，常取 50–200 Hz。
采样率不足会带来两类问题：一是高频成分折叠到低频，形成无法事后分离的混叠；二是时间分辨率下降，使 R 波峰值、脉搏波到达时间等关键点定位变粗。因此，模拟前端必须配置抗混叠低通滤波器，其截止频率应低于 fs/2，并留出过渡带。若采样率选得过高，则单位时间数据量、ADC 功耗和 BLE 负载都会上升，对低功耗可穿戴设备并不划算。
分辨率、动态范围与 ADC 选型
分辨率指 ADC 能区分的最小电压台阶。对 N 位 ADC、参考电压 VREF，理想量化步长为 VREF/2N。例如 12 位、3.0 V 参考时，LSB 约 0.73 mV；16 位时约 45.8 μV；24 位时约 0.18 μV。ECG 信号幅度约 0.5–5 mV，若用 12 位 ADC 直接采集，量化台阶已接近信号幅度的千分之一量级，尚可用于心率，但对 P 波、ST 段等微弱细节就偏粗。因此临床级 ECG 前端常采用 16–24 位 ΔΣ ADC，配合 1–6 倍增益，把信号抬升到 ADC 有效量程内。
动态范围描述系统能同时容纳的最强与最弱信号之比，通常用 dB 表示。它不等于分辨率：一个 24 位 ADC 若前端噪声很大，有效位数（ENOB）可能只有 16–18 位，实际动态范围随之下降。可穿戴场景中，电极接触阻抗变化、运动伪迹、工频干扰都会占用动态范围，因此前端增益、滤波和高输入阻抗设计必须与 ADC 量程匹配。若增益过高，基线漂移会使信号饱和；增益过低，微弱成分又被量化噪声淹没。
MCU/SoC 与嵌入式调度
ADC 采到数据后，MCU 或 SoC 负责搬运、缓冲、滤波、特征提取和协议封装。若用 CPU 逐点中断读取，高采样率下中断开销会迅速吃掉功耗预算，还容易因中断延迟造成采样抖动。更稳妥的做法是使用 DMA 将 ADC 结果直接写入环形缓冲区，CPU 只在半满或全满时处理。这样采样时刻由硬件定时器触发，时间间隔稳定，不会因软件任务抢占而忽长忽短。
以 500 Hz、16 位、单通道 ECG 为例，原始数据率为 500 × 2 B = 1 kB/s；若三轴加速度各 100 Hz、16 位，则再加 600 B/s。看似不大，但若在 MCU 内做 50 Hz 陷波、0.5 Hz 高通和 40 Hz 低通，再提取 R 波间期，计算负载就不可忽略。此时应把滤波放在 DMA 完成后的块处理中，并让 MCU 在两次处理之间进入低功耗睡眠。SoC 方案则常把模拟前端、ADC 和 BLE 射频集成在一起，减少外围器件，但需注意内部资源共享带来的噪声耦合。
BLE 传输与低功耗设计的耦合
BLE 不是“透明串口”。连接间隔、从设备延迟、MTU 和通知机制共同决定吞吐与延迟。若连接间隔设为 100 ms，而每次通知只能携带 20 B 有效载荷，则理论吞吐约 200 B/s，低于 500 Hz ECG 的 1 kB/s，必然积压或丢包。解决方式包括：协商更大 MTU（如 247 B）、使用多包通知、提高连接间隔利用率，或在设备端先压缩/提取特征再发送。但压缩会改变数据形态，临床分析若需要原始波形，就不能只发特征值。
低功耗设计的关键是占空比调度：采集时开启 AFE 和 ADC，处理完立即关闭；BLE 只在连接事件窗口内唤醒射频；其余时间 MCU 进入 STOP 或 STANDBY。需要警惕的是，频繁唤醒的能耗可能高于持续低速率运行，因此连接间隔、缓冲深度和采样率必须联合优化。若缓冲过小，BLE 拥塞时就会覆盖未发送数据；若缓冲过大，则内存占用和延迟上升。一个实用判断是：缓冲至少能覆盖 2–3 个最坏连接间隔内的数据量。
把硬件参数落到数据质量判断上
面对一段可穿戴采集数据，可以从波形和日志反推硬件配置是否合理。若波形出现规则的高频折叠、R 波峰值位置跳动，优先怀疑采样率不足或抗混叠滤波失效；若波形顶部或底部被削平、基线缓慢漂移后突然饱和，说明增益与动态范围匹配不当；若时间轴上出现等间隔缺口、相邻包时间戳跳跃，则更可能是 BLE 缓冲溢出或连接事件丢失，而非生理信号本身变化。把这些判断与前端增益、ADC 位数、采样率、连接间隔等参数对照，才能定位问题发生在模拟链路、数字调度还是无线传输环节。
配置检查清单（可直接对照）
| 检查项 | 典型取值 / 判断 | 对数据质量的影响 |
|---|---|---|
| 采样率 fs | ECG 250–500 Hz；PPG 50–125 Hz | 不足则混叠、峰值定位变粗 |
| 抗混叠截止 | 低于 fs/2，留过渡带 | 防止高频折叠到低频 |
| ADC 位数与参考 | 16–24 bit；LSB = VREF/2^N | 决定最小可分辨电压台阶 |
| 前端增益 | 使信号占满 ADC 量程 50%–80% | 过高饱和，过低被量化噪声淹没 |
| DMA 缓冲 | 覆盖 2–3 个最坏连接间隔 | 不足则丢包、时间戳错位 |
| BLE 连接间隔 / MTU | 按吞吐需求联合设定 | 决定延迟、功耗与是否积压 |
硬件与嵌入式基础不是数据处理的“前置杂项”，而是决定后续滤波、特征提取和临床判读能否成立的前提。采样率、分辨率、动态范围、ADC、MCU/SoC、BLE 与低功耗设计之间相互牵制，任何一项单独优化都可能把瓶颈转移到别处。实际工程中，应先用数据率和功耗预算做粗算，再通过波形与日志验证，最后才进入算法调参。