可穿戴設(shè)備早已不是什么新奇的產(chǎn)品形態(tài)了，例如大家佩戴的手環(huán)、手表、無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)等已隨處可見。測(cè)量多個(gè)參數(shù)、讀數(shù)準(zhǔn)確、電池壽命長(zhǎng)，這些需求對(duì)于可穿戴健康設(shè)備而言最重要，尤其是近些年隨著數(shù)字遠(yuǎn)程醫(yī)療理念的興起，設(shè)備商也開始逐漸關(guān)注診療級(jí)數(shù)據(jù)的獲取，更聚焦于設(shè)備數(shù)據(jù)低功耗、精準(zhǔn)測(cè)量方案的實(shí)現(xiàn)。傳感器是影響可穿戴設(shè)備用戶體驗(yàn)、舒適度和功耗的核心器件，本文以ADI兩代MEMS傳感器為例，簡(jiǎn)述可穿戴設(shè)備運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用應(yīng)如何選擇合適的傳感器。

從應(yīng)用角度出發(fā)，剖析MEMS傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)

可穿戴產(chǎn)品體積小，電池容量低，而一般監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)要一直工作，即為了監(jiān)測(cè)佩戴者的狀態(tài)，又為了補(bǔ)償其它類傳感器，這就對(duì)其功耗性能提出了較高的要求。對(duì)于需要電池供電型可穿戴應(yīng)用而言，加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是超低功耗（通常為μA級(jí)），以確保盡量延長(zhǎng)電池壽命，其他關(guān)鍵指標(biāo)是尺寸和集成的特性，比如備用ADC通道和深度FIFO，其作用是增進(jìn)終端應(yīng)用的電源管理和功能性。MEMS傳感器憑借體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為微型傳感器的主力軍，取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器而廣泛應(yīng)用于可穿戴應(yīng)用中。

下圖所示為部分生命體征監(jiān)測(cè)（VSM）應(yīng)用及其在具體應(yīng)用中的對(duì)應(yīng)設(shè)置，用于可穿戴應(yīng)用的MEMS加速度計(jì)通?？梢詫?duì)運(yùn)動(dòng)分類、檢測(cè)自由落體、測(cè)量運(yùn)動(dòng)是否存在以確定是使系統(tǒng)上電、關(guān)斷還是休眠，同時(shí)輔助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，供ECG和其他VSM測(cè)量使用。

VSM可穿戴應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)要求

由于尚無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界定加速度計(jì)屬于何種類別，因此加速度計(jì)的一般分類及相應(yīng)的應(yīng)用如下表所示，所示的帶寬和g值范圍是加速度計(jì)用在所列終端應(yīng)用中的典型值。另一方面，在為超低功耗應(yīng)用選擇MEMS加速度計(jì)時(shí)，必須在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)稱的功耗水平下觀察傳感器的功能，要觀察的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是帶寬和采樣速率是否會(huì)降至無(wú)法測(cè)量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。因?yàn)橛行┊a(chǎn)品通過(guò)每秒關(guān)斷并喚醒的方式達(dá)到維持低功耗的目的，但這樣做導(dǎo)致有效采樣速率下降而錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵加速度數(shù)據(jù)，為了測(cè)量實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)的范圍又需要大幅提高功耗。

加速度計(jì)等級(jí)和典型應(yīng)用領(lǐng)域

高精度、低功耗特性鑄就可穿戴市場(chǎng)經(jīng)典產(chǎn)品

作為最早在MEMS傳感器領(lǐng)域進(jìn)行研究的技術(shù)提供商之一，ADI公司經(jīng)典三軸MEMS加速度計(jì)ADXL362過(guò)去幾年在國(guó)內(nèi)外的可穿戴設(shè)備中已取得了大量應(yīng)用并廣受市場(chǎng)好評(píng)。ADXL362采用全數(shù)據(jù)速率對(duì)傳感器的整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣，不會(huì)通過(guò)欠采樣混疊輸入信號(hào)，保證了數(shù)據(jù)的有效性。因?yàn)橐坏┌l(fā)生信號(hào)混疊，把高頻信息采樣成低頻，那么用戶的數(shù)字后處理將無(wú)能為力，勢(shì)必會(huì)引起一些誤判。

下圖所示為功耗隨采樣速率動(dòng)態(tài)變化，ADI公司采用創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的低功耗——ADXL362可在功耗僅為3 μA的狀態(tài)下，以最高400 Hz的速率進(jìn)行采樣。在可穿戴設(shè)備中，這些較高的數(shù)據(jù)速率可實(shí)現(xiàn)額外的功能，如單擊/雙擊檢測(cè)。采樣速率可降至6 Hz，以便在被拾起時(shí)或者檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)設(shè)備能啟動(dòng)，此時(shí)的平均功耗為270 nA，這也是ADXL362非常適合可穿戴設(shè)備應(yīng)用的原因之一，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用中電池更換非常困難。

ADXL362電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

除了固有的低功耗工作特性外，ADXL362加速度計(jì)還有其他能夠提高系統(tǒng)級(jí)功效的重要特性，例如ADXL362還內(nèi)置增強(qiáng)型樣本活動(dòng)檢測(cè)功能，可準(zhǔn)確區(qū)分不同種類的運(yùn)動(dòng)。該特性可避免誤檢，防止傳感器不必要地開啟系統(tǒng)且縮短電池壽命，可用作智能型、連續(xù)工作、運(yùn)動(dòng)激活開關(guān)的一部分，當(dāng)配備喚醒狀態(tài)輸出引腳時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器可繞過(guò)處理器即時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)系統(tǒng)功能的開關(guān)，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

此外，對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，由于運(yùn)動(dòng)、機(jī)械連接或與組織的接觸狀態(tài)會(huì)改變，因此測(cè)量設(shè)備的運(yùn)動(dòng)并彌補(bǔ)干擾造成的影響是很重要的。ADXL362完全支持這類需求，傳感器測(cè)量所有三軸并集成12位SAR ADC，使靈敏度達(dá)到每個(gè)LSB只有1 mg，并能夠通過(guò)數(shù)字SPI接口進(jìn)行通信。功耗與ADC采樣率成比例，每軸數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz，傳感器功耗僅為1.8 μA。

全新一代產(chǎn)品問(wèn)世，樹立行業(yè)應(yīng)用新標(biāo)桿

近日ADI推出了全新一代三軸MEMS加速度計(jì)ADXL367，專為廣泛的醫(yī)療保健和工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括生命體征監(jiān)測(cè)、助聽器和運(yùn)動(dòng)計(jì)量設(shè)備等。作為ADXL362的新一代產(chǎn)品，在延續(xù)了ADXL367傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)的同時(shí)，將功耗改善了兩倍，同時(shí)將噪聲性能提高了30%以上，實(shí)現(xiàn)提供延長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命并降低維護(hù)頻率和成本。

與使用功率占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的MEMS加速度計(jì)不同一致，ADXL367同樣也不會(huì)通過(guò)欠采樣來(lái)混疊輸入信號(hào)，而是在所有數(shù)據(jù)速率下對(duì)傳感器的全帶寬進(jìn)行采樣。ADXL367在100 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下僅消耗0.88 μA，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下僅消耗180 nA，喚醒模式下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功耗為200 nW，測(cè)量模式下功耗為970 nW。

ADXL367支持深度多模式輸出FIFO、內(nèi)置微功耗溫度傳感器、用于同步轉(zhuǎn)換額外模擬輸入的內(nèi)部ADC、單擊/雙擊檢測(cè)以及防止誤觸發(fā)的狀態(tài)機(jī)。此外，ADXL367也支持對(duì)采樣時(shí)間和外部時(shí)鐘的外部控制，其電源電壓低至1.1V，允許在沒(méi)有外部升壓轉(zhuǎn)換器的情況下采用單節(jié)電池運(yùn)行。值得一提的是，ADXL367豐富的數(shù)字功能，例如單擊和雙擊、自由落體和活動(dòng)檢測(cè)，降低了對(duì)主機(jī)微處理器的計(jì)算需求，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。

以可穿戴設(shè)備為代表的數(shù)字化技術(shù)能夠幫助醫(yī)療系統(tǒng)將重心從治療轉(zhuǎn)向預(yù)防，隨時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸臨床級(jí)數(shù)據(jù)成為可能，家庭健康醫(yī)療產(chǎn)品也是從有創(chuàng)、有感、單點(diǎn)測(cè)量朝著無(wú)創(chuàng)、無(wú)感和連續(xù)測(cè)量的方向發(fā)展，為體積小、功耗低、可靠性高的MEMS傳感器發(fā)展帶來(lái)了許多新的機(jī)遇。全新一代超低功耗MEMS加速度計(jì)ADXL367的推出，是ADI持續(xù)加強(qiáng)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的MEMS技術(shù)、模擬混合信號(hào)處理芯片的投入，并加大系統(tǒng)方案開發(fā)力度的又一案例。 返回搜狐，查看更多