穿戴式装置中的模拟器件、MEMS和传感器

        穿戴式装置简介
穿戴式电子装置因小巧、轻便，用户可随身穿戴而得名。从产品类别上看，穿戴式装置包括智能手表、电脑手机的配件、健身跟踪器、人身安全装置或专门的医疗装置。从功能上看，穿戴式装置可以是独立的电子产品，也可以是平板电脑或智能手机的外设配件，具有一定计算能力，能够充当主设备的输入输出设备。
从历史角度看，虽然手表和穿戴式计算器曾一度火热，但是，直到低功耗蓝牙通信、低功耗制造技术和传感器问世，穿戴式装置才变得种类繁多，层出不究，智能手表、手环、珠宝、臂环、联网服饰等等都是穿戴式装置。
穿戴式装置特点
顾名思义，穿戴式装置是人们长期随身配戴的电子产品，其特点是长时间开机联网。
a)始终开机
穿戴式装置必须连续工作，监视或输出对用户至关重要的数据。穿戴式装置可以有睡眠模式，但是决不能断电关机。
b)低功耗
穿戴式装置的尺寸都比较小，所用电源都是小尺寸电池，所以穿戴式装置的工作电流应非常低。如果需要经常充电，穿戴式装置则失去本身的意义。低功耗技术的问世促成了这项产业革命。
c)尺寸紧凑
穿戴式装置是穿戴在用户身上的，所以产品尺寸必须小巧，外观实用美观。笨拙的穿戴式装置对于用户来说是额外的负担，不会被市场的接受。
d)环境感测
环境感测是穿戴式装置赢得市场认可的重要原因，今天，穿戴式装置不仅能监测用户活动信息，还能监测温度、湿度、紫外光等环境参数。
e)智能功能
穿戴式装置的智能化应足以滤除真实数据中的噪声，当重要信息需要传输时，能够向用户发出通知。例如，当用户巧遇意外或需要急救时，智能手环应能够向急救中心发出通知。
f)联网功能
联网功能是穿戴式装置问世并赢得市场认可的重要因素。穿戴式装置应通过蓝牙、WiFi等无线通信技术连接平板电脑或智能手机。此外，穿戴式装置还能连接GPS卫星，监视用户所在方位。




       

穿戴式装置架构
典型的穿戴式装置架构包括下列单元：
a)传感器 – 数字传感器和模拟传感器
b)模拟前端
c)音频
d)电源管理
e)通信接口
f)微控制器
g)LCD接口
本文将讨论前五个穿戴式装置单元。


图1 穿戴式装置架构





       

传感器
传感器是创新的穿戴式装置问世的主要推动力之一，下面是当前市场最热的几种传感器。
a)加速度计
加速度计又称重力传感器，用于检测线性加速度、振动、倾斜度、自由落体等物体运动。加速度传感器用于实现水平调整、防盗、振动通知、计步、成人及孩子远程监控等功能。
b)陀螺仪
陀螺仪可测量角速率，用于实现电子游戏、3D鼠标、体育训练等功能。
c)罗盘
罗盘可测量地环磁场方向，为设备提供指标方向功能。罗盘广泛用于室内导航和手机地图导航。




图2 微型高性能电子罗盘： 3D 加速度计和 3D磁强计模块


d)气压传感器
气压传感器可测量地球大气压，用于设计气压计和测高度计。意法半导体的LPS25H气压传感器测量精度特别高，足以精确辨别传感器所在位置是大楼的第几层，可用于实现室内导航、增强实境和3D GPS 。



图3 MEMS气压传感器: 2.5 X 2.5 mm 高精度气压计


e)温度和湿度传感器
温度和湿度传感器可测量温度和湿度，控制穿戴式装置的性能。   




       

模拟前端
a)运算放大器
模拟传感器向微控制器传送信息需要使用信号转换器，信号转换器应具有下列重要特性：
I.精确且稳定，尽可能提高信息准确性
II.低功耗，使用时间更长
III.尺寸紧凑，可集成到纤薄的时尚设计内
运算放大器必须满足低输入失调电压和零漂移率两个要求，否则，电极信息的准确性没有保证。虽然信号功率恢复如初，但是在信号送入微控制器器之前，需要一个高精度微功耗放大器。
b)开关
开关采用多路复用或多路分配的方法传输各种信号。智能装置内的传感器数量越来越多，开关为输入输出信号分配路由，还能选择将音频信号分配到喇叭还是耳机。意法半导体模拟开关的目标应用覆盖从音频到USB的所有信号拓扑，能够满足大多数应用需求。







       

音频
a)MEMS麦克风
b)MEMS麦克风将声信号转化为电信号的声学传感器，因为信噪比更高，外观尺寸更小，提供数字接口，抗射频性能更高，防振能力更强，MEMS麦克风比传统麦克风更受市场青睐。
麦克风使人机互动变得更加容易快捷，操作变得更加流畅。在外观设计上，麦克风的使用可以减少按钮数量，帮助设计人员开发出时尚美观的产品。



图5 模拟 MEMS麦克风: 下置声孔，高带宽，多指向，高信噪比


双工作模式是下一代麦克风的发展趋势。
● 监听/低功耗模式: 在保证麦克风侦测语音命令所需的基本性能条件下，将麦克风功耗降至最低水平。
● 正常工作模式：声学参数设置为语音控制应用所需的最佳参数。



图6 借助模拟开关，微控制器可将麦克风设为监听或正常模式。


c)音频放大器
重现音乐、话音或有声通知需要喇叭，而驱动喇叭则需要音频放大器。穿戴式装置要求音频放大器具有很高的能效，能够向小型低功耗设备输出高品质音频。




       

电源管理
a)电池电量监视
穿戴式装置的电源通常是一个小电池，大多数情况下必须使用小电池。精确的电池监视功能可监视电池电量，增加电源智能管理功能。例如，当电量低时，及时通知用户充电或自动关闭耗电模块。意法半导体的STC3115电源管理整体解决方案同时集成电压电流对时间变化监测功能，因此提供最准确的电池电量监测功能。




b)智能复位
随着穿戴式装置的智能化超来越高，为管理所有的传感器信息，软件复杂性呈指数增长。随着功能数量增加，终端用户误操作的概率也相应扩大，系统崩溃时有发生，为维护产品质量和品牌名气，需要跳队列，重新启动应用。



图8 STM6519 IC让一个按钮实现两个功能。


c)实时时钟
在穿戴式装置中，实时时钟不仅用于计时，还让系统按时进入低功耗省电模式。电池供电的微型装置需要低功耗的微型封装的实时时钟。意法半导体的M41T62 RTC是一个微型封装的内置晶体的350nA实时时钟。








       

穿戴式装置的主要目标应用
健身养生
智能手表、运动监测器、计步器等智能穿戴式装置让用户能够在智能手机上监视自己的健身活动。穿戴式装置还可以充当运动监测器、智能脚垫、睡眠传感器和心率监测器，优化体育成绩，监视健身目标，控制体重，分享方位数据。
医疗保健
心率监视器、血糖监视器、脉搏血氧仪等医疗装置现在可以通过BLE连到智能手机，甚至还可以通过智能手机连接到互联网，将测量信息保存到云端与医生和亲朋好友分享。BLE技术还准许将这些电子装置放在关键位置，例如，鞋内或腕带内。BLE支持很多医疗保健设备，例如，血糖计、心率监视器、温度计和血压表。
接近侦测和防盗配件
当配戴BLE配件的宠物或儿童走出视线外，BLE穿戴式装置会向智能手机发出提醒通知。内置BLE的汽车钥匙如果不见了，可以借助相连的智能手机轻松找到钥匙。当钱包或行李包内置BLE配件时，如果有人想偷钱包或行李，智能手机就会提示用户注意。
安全跟踪
智能手表或安全跟踪器等穿戴式装置让家长能够连续不断地跟踪孩子的位置，还能在孩子和女士用户遭遇危险时自动发送紧急求助信号。工作原理是穿戴式装置先向所连的智能手机发送急救信号，然后智能手机通过短信向相关救援机构和亲属发送用户所在位置。
结论
穿戴式装置像互联网一样有改进变世界的潜力。智能传感器和低功能蓝牙使穿戴式装置具有感应能力和通信功能，从而做出复杂的决策。穿戴式装置将会开创全新的用例，完成智能手机无法胜任的任务。医疗和健身有望成为穿戴式技术最大的应用类别，意法半导体提供一站式采购服务，满足穿戴式厂商所有的半导体需求，并提供驱动程序和软件库支持，为穿戴式技术开发人员和厂商加快研发周期。