3. 医疗可穿戴设备硬件与BLE射频基础
医疗可穿戴设备与普通消费级可穿戴最大的区别，在于它采集的是具有临床意义或健康管理价值的生理信号，并且这些信号必须通过无线链路可靠地送达手机、网关或云端。因此，硬件设计不能只关注“能不能测到”，还要关注“测得准不准、传得稳不稳、功耗撑不撑得住”。本节围绕典型医疗传感器前端、MCU选型、BLE SoC天线设计，以及发射功率与接收灵敏度对链路预算的影响展开，帮助建立从生理信号到无线数据包的完整工程视角。
典型医疗传感器前端
医疗可穿戴常见的生理参数包括心电（ECG）、光电容积脉搏波（PPG）、血氧（SpO₂）、体温、体阻抗和运动加速度。不同信号对前端的要求差异很大。以ECG为例，体表心电信号幅度通常在0.5～5 mV，频率集中在0.05～150 Hz，且叠加了电极极化电压、工频干扰和运动伪迹。典型前端链路为：电极→输入保护与RC滤波→仪表放大器（如INA333类）→高通/低通滤波→可编程增益放大→ADC采样。若采用24位ΔΣ ADC（如ADS1292R），可省去部分模拟滤波，直接在数字域做50/60 Hz陷波和基线漂移抑制。
PPG前端则完全不同。它由LED驱动、光电二极管、跨阻放大器（TIA）和环境光抑制电路组成。绿光（约525 nm）对浅层血管搏动敏感，适合心率；红光（660 nm）与红外（940 nm）组合用于血氧计算。TIA的反馈电阻和电容决定了带宽与噪声，LED驱动电流通常需要几十毫安级脉冲，且必须与ADC采样时序严格同步，否则会引入串扰。体温测量常用NTC热敏电阻或数字温度传感器，前者需要精密基准和分压电路，后者通过I²C直接输出，但响应速度较慢，需要与皮肤热耦合设计配合。
MCU选型：算力、功耗与外设的平衡
MCU选型不是“越强越好”，而是要在信号处理需求、无线协议栈开销、功耗预算和成本之间找平衡。对于仅做心率、步数、体温的设备，Cortex-M0+或M4F内核、64～128 KB Flash、20～64 KB RAM通常足够；若要在本地做ECG特征提取、房颤初筛或PPG运动伪迹抑制，则需要M4F或M33内核，并具备FPU和DSP指令，RAM建议不低于128 KB。
外设方面，医疗可穿戴尤其关注：多通道ADC或外部ΔΣ ADC接口、I²C/SPI用于传感器和BLE SoC通信、DMA用于降低CPU搬运开销、RTC和低功耗定时器用于周期唤醒、以及硬件加密引擎用于保护健康数据。功耗上，要区分运行功耗、睡眠功耗和无线发射峰值电流。例如，某M4F MCU在48 MHz运行时约3.5 mA，深度睡眠可低至1～2 µA，但BLE发射瞬间可能达到5～10 mA。若设备用200 mAh纽扣电池，平均电流必须控制在100 µA量级才能达到数月续航，因此MCU大部分时间应处于睡眠，由传感器中断或BLE事件唤醒。
BLE SoC天线设计
BLE SoC通常集成射频收发器和匹配网络，但天线仍是决定通信距离和稳定性的关键。2.4 GHz频段波长约12.5 cm，可穿戴设备空间狭小，常用天线形式包括PCB倒F天线（IFA）、蛇形单极天线和陶瓷芯片天线。设计要点如下：
- 净空区：天线下方和周围应避免铺地、电池和金属，净空区宽度建议不小于5 mm，否则辐射效率会明显下降。
- 匹配网络：典型为π型或L型LC网络，将SoC射频端口阻抗匹配到50 Ω。匹配元件应靠近天线馈点，走线短而直，避免过孔。
- 接地与参考地：天线需要稳定的参考地平面，地平面尺寸过小会导致方向图畸变和效率降低。
- 人体影响：手腕、胸口等佩戴位置会吸收射频能量，使实际辐射效率比自由空间低3～10 dB，设计时应预留余量。
调试时可用矢量网络分析仪测S11，目标是在2.40～2.48 GHz内回波损耗优于-10 dB；若条件有限，也可通过BLE连接距离和RSSI变化间接判断天线状态。
发射功率与接收灵敏度对链路预算的影响
链路预算是判断无线链路能否可靠工作的核心工具。其基本关系为：
接收功率 Prx = Ptx + Gtx - Lpath + Grx
链路余量 Margin = Prx - Sensitivity其中Ptx为发射功率，Gtx和Grx为收发天线增益，Lpath为路径损耗，Sensitivity为接收灵敏度。BLE的发射功率通常可在-20～+10 dBm之间配置，接收灵敏度在1 Mbps模式下约为-93～-97 dBm，在125 kbps编码PHY下可低至-103 dBm左右。路径损耗随距离和环境影响，自由空间中2.4 GHz每增加一倍距离约增加6 dB损耗，但人体遮挡和室内多径会使实际损耗更大。
举例说明：假设BLE SoC发射功率设为0 dBm，天线增益-2 dBi，接收端天线增益-2 dBi，10米室内非视距路径损耗约70 dB，则接收功率约为0 + (-2) - 70 + (-2) = -74 dBm。若接收灵敏度为-93 dBm，链路余量为19 dB，属于较可靠范围。若把发射功率降到-10 dBm，接收功率变为-84 dBm，余量仅9 dB，在人体遮挡或干扰下就可能出现丢包。因此，医疗设备不应盲目追求最低发射功率，而应在功耗、SAR法规和链路可靠性之间折中。通常建议在典型使用场景下保留至少10～15 dB链路余量，并在固件中根据RSSI和丢包率动态调整发射功率。
工程折中与设计检查
把上述环节串起来看，医疗可穿戴的硬件设计本质是一组折中：传感器前端追求低噪声和高共模抑制，MCU追求低功耗与足够算力，天线追求小尺寸与高效率，射频链路追求低功耗与高可靠。实际项目中，建议在原理图阶段就明确每个传感器的带宽、增益和采样率，在PCB阶段保证天线净空和匹配网络，在固件阶段根据RSSI和丢包率动态调整发射功率。只有把信号链、电源链和射频链作为一个整体来设计，才能让医疗数据在可穿戴设备上“测得准、传得稳、用得久”。