穿戴式裝置中的模擬器件、MEMS和傳感器

 穿戴式電子裝置因小巧、輕便，用戶(hù)可隨身穿戴而得名。從產(chǎn)品類(lèi)別上看，穿戴式裝置包括智能手表、電腦手機(jī)的配件、健身跟蹤器、人身安全裝置或?qū)ｉT(mén)的醫(yī)療裝置。從功能上看，穿戴式裝置可以是獨(dú)立的電子產(chǎn)品，也可以是平板電腦或智能手機(jī)的外設(shè)配件，具有一定計(jì)算能力，能夠充當(dāng)主設(shè)備的輸入輸出設(shè)備。

從歷史角度看，雖然手表和穿戴式計(jì)算器曾一度火熱，但是，直到低功耗藍(lán)牙通信、低功耗制造技術(shù)和傳感器問(wèn)世，穿戴式裝置才變得種類(lèi)繁多，層出不究，智能手表、手環(huán)、珠寶、臂環(huán)、聯(lián)網(wǎng)服飾等等都是穿戴式裝置。

穿戴式裝置特點(diǎn)

顧名思義，穿戴式裝置是人們長(zhǎng)期隨身配戴的電子產(chǎn)品，其特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

a)始終開(kāi)機(jī)

穿戴式裝置必須連續(xù)工作，監(jiān)視或輸出對(duì)用戶(hù)至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。穿戴式裝置可以有睡眠模式，但是決不能斷電關(guān)機(jī)。

b)低功耗

穿戴式裝置的尺寸都比較小，所用電源都是小尺寸電池，所以穿戴式裝置的工作電流應(yīng)非常低。如果需要經(jīng)常充電，穿戴式裝置則失去本身的意義。低功耗技術(shù)的問(wèn)世促成了這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)革命。

c)尺寸緊湊

穿戴式裝置是穿戴在用戶(hù)身上的，所以產(chǎn)品尺寸必須小巧，外觀實(shí)用美觀。笨拙的穿戴式裝置對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是額外的負(fù)擔(dān)，不會(huì)被市場(chǎng)的接受。

d)環(huán)境感測(cè)

環(huán)境感測(cè)是穿戴式裝置贏得市場(chǎng)認(rèn)可的重要原因，今天，穿戴式裝置不僅能監(jiān)測(cè)用戶(hù)活動(dòng)信息，還能監(jiān)測(cè)溫度、濕度、紫外光等環(huán)境參數(shù)。

e)智能功能

穿戴式裝置的智能化應(yīng)足以濾除真實(shí)數(shù)據(jù)中的噪聲，當(dāng)重要信息需要傳輸時(shí)，能夠向用戶(hù)發(fā)出通知。例如，當(dāng)用戶(hù)巧遇意外或需要急救時(shí)，智能手環(huán)應(yīng)能夠向急救中心發(fā)出通知。

f)聯(lián)網(wǎng)功能

聯(lián)網(wǎng)功能是穿戴式裝置問(wèn)世并贏得市場(chǎng)認(rèn)可的重要因素。穿戴式裝置應(yīng)通過(guò)藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線通信技術(shù)連接平板電腦或智能手機(jī)。此外，穿戴式裝置還能連接GPS衛(wèi)星，監(jiān)視用戶(hù)所在方位。

穿戴式裝置架構(gòu)

典型的穿戴式裝置架構(gòu)包括下列單元：

a)傳感器 – 數(shù)字傳感器和模擬傳感器

b)模擬前端

c)音頻

d)電源管理

e)通信接口

f)微控制器

g)LCD接口

本文將討論前五個(gè)穿戴式裝置單元。

圖1 穿戴式裝置架構(gòu)

傳感器

傳感器是創(chuàng)新的穿戴式裝置問(wèn)世的主要推動(dòng)力之一，下面是當(dāng)前市場(chǎng)最熱的幾種傳感器。

a)加速度計(jì)

加速度計(jì)又稱(chēng)重力傳感器，用于檢測(cè)線性加速度、振動(dòng)、傾斜度、自由落體等物體運(yùn)動(dòng)。加速度傳感器用于實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整、防盜、振動(dòng)通知、計(jì)步、成人及孩子遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

b)陀螺儀

陀螺儀可測(cè)量角速率，用于實(shí)現(xiàn)電子游戲、3D鼠標(biāo)、體育訓(xùn)練等功能。

c)羅盤(pán)

羅盤(pán)可測(cè)量地環(huán)磁場(chǎng)方向，為設(shè)備提供指標(biāo)方向功能。羅盤(pán)廣泛用于室內(nèi)導(dǎo)航和手機(jī)地圖導(dǎo)航。

圖2 微型高性能電子羅盤(pán)： 3D 加速度計(jì)和 3D磁強(qiáng)計(jì)模塊

d)氣壓傳感器

氣壓傳感器可測(cè)量地球大氣壓，用于設(shè)計(jì)氣壓計(jì)和測(cè)高度計(jì)。意法半導(dǎo)體的LPS25H氣壓傳感器測(cè)量精度特別高，足以精確辨別傳感器所在位置是大樓的第幾層，可用于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航、增強(qiáng)實(shí)境和3D GPS 。

圖3 MEMS氣壓傳感器: 2.5 X 2.5 mm 高精度氣壓計(jì)

e)溫度和濕度傳感器

溫度和濕度傳感器可測(cè)量溫度和濕度，控制穿戴式裝置的性能。

模擬前端

a)運(yùn)算放大器

模擬傳感器向微控制器傳送信息需要使用信號(hào)轉(zhuǎn)換器，信號(hào)轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有下列重要特性：

I.精確且穩(wěn)定，盡可能提高信息準(zhǔn)確性

II.低功耗，使用時(shí)間更長(zhǎng)

III.尺寸緊湊，可集成到纖薄的時(shí)尚設(shè)計(jì)內(nèi)

運(yùn)算放大器必須滿(mǎn)足低輸入失調(diào)電壓和零漂移率兩個(gè)要求，否則，電極信息的準(zhǔn)確性沒(méi)有保證。雖然信號(hào)功率恢復(fù)如初，但是在信號(hào)送入微控制器器之前，需要一個(gè)高精度微功耗放大器。

b)開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)采用多路復(fù)用或多路分配的方法傳輸各種信號(hào)。智能裝置內(nèi)的傳感器數(shù)量越來(lái)越多，開(kāi)關(guān)為輸入輸出信號(hào)分配路由，還能選擇將音頻信號(hào)分配到喇叭還是耳機(jī)。意法半導(dǎo)體模擬開(kāi)關(guān)的目標(biāo)應(yīng)用覆蓋從音頻到USB的所有信號(hào)拓?fù)?，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用需求。

音頻

a)MEMS麥克風(fēng)

b)MEMS麥克風(fēng)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的聲學(xué)傳感器，因?yàn)樾旁氡雀?，外觀尺寸更小，提供數(shù)字接口，抗射頻性能更高，防振能力更強(qiáng)，MEMS麥克風(fēng)比傳統(tǒng)麥克風(fēng)更受市場(chǎng)青睞。

麥克風(fēng)使人機(jī)互動(dòng)變得更加容易快捷，操作變得更加流暢。在外觀設(shè)計(jì)上，麥克風(fēng)的使用可以減少按鈕數(shù)量，幫助設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)出時(shí)尚美觀的產(chǎn)品。

圖5 模擬 MEMS麥克風(fēng): 下置聲孔，高帶寬，多指向，高信噪比

雙工作模式是下一代麥克風(fēng)的發(fā)展趨勢(shì)。

● 監(jiān)聽(tīng)/低功耗模式: 在保證麥克風(fēng)偵測(cè)語(yǔ)音命令所需的基本性能條件下，將麥克風(fēng)功耗降至最低水平。

● 正常工作模式：聲學(xué)參數(shù)設(shè)置為語(yǔ)音控制應(yīng)用所需的最佳參數(shù)。

圖6 借助模擬開(kāi)關(guān)，微控制器可將麥克風(fēng)設(shè)為監(jiān)聽(tīng)或正常模式。

c)音頻放大器

重現(xiàn)音樂(lè)、話音或有聲通知需要喇叭，而驅(qū)動(dòng)喇叭則需要音頻放大器。穿戴式裝置要求音頻放大器具有很高的能效，能夠向小型低功耗設(shè)備輸出高品質(zhì)音頻。

電源管理

a)電池電量監(jiān)視

穿戴式裝置的電源通常是一個(gè)小電池，大多數(shù)情況下必須使用小電池。精確的電池監(jiān)視功能可監(jiān)視電池電量，增加電源智能管理功能。例如，當(dāng)電量低時(shí)，及時(shí)通知用戶(hù)充電或自動(dòng)關(guān)閉耗電模塊。意法半導(dǎo)體的STC3115電源管理整體解決方案同時(shí)集成電壓電流對(duì)時(shí)間變化監(jiān)測(cè)功能，因此提供最準(zhǔn)確的電池電量監(jiān)測(cè)功能。

b)智能復(fù)位

隨著穿戴式裝置的智能化超來(lái)越高，為管理所有的傳感器信息，軟件復(fù)雜性呈指數(shù)增長(zhǎng)。隨著功能數(shù)量增加，終端用戶(hù)誤操作的概率也相應(yīng)擴(kuò)大，系統(tǒng)崩潰時(shí)有發(fā)生，為維護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量和品牌名氣，需要跳隊(duì)列，重新啟動(dòng)應(yīng)用。

圖8 STM6519 IC讓一個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。

c)實(shí)時(shí)時(shí)鐘[RTC]

在穿戴式裝置中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘不僅用于計(jì)時(shí)，還讓系統(tǒng)按時(shí)進(jìn)入低功耗省電模式。電池供電的微型裝置需要低功耗的微型封裝的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。意法半導(dǎo)體的M41T62 RTC是一個(gè)微型封裝的內(nèi)置晶體的350nA實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

穿戴式裝置的主要目標(biāo)應(yīng)用

健身養(yǎng)生

智能手表、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)器、計(jì)步器等智能穿戴式裝置讓用戶(hù)能夠在智能手機(jī)上監(jiān)視自己的健身活動(dòng)。穿戴式裝置還可以充當(dāng)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)器、智能腳墊、睡眠傳感器和心率監(jiān)測(cè)器，優(yōu)化體育成績(jī)，監(jiān)視健身目標(biāo)，控制體重，分享方位數(shù)據(jù)。

醫(yī)療保健

心率監(jiān)視器、血糖監(jiān)視器、脈搏血氧儀等醫(yī)療裝置現(xiàn)在可以通過(guò)BLE連到智能手機(jī)，甚至還可以通過(guò)智能手機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)，將測(cè)量信息保存到云端與醫(yī)生和親朋好友分享。BLE技術(shù)還準(zhǔn)許將這些電子裝置放在關(guān)鍵位置，例如，鞋內(nèi)或腕帶內(nèi)。BLE支持很多醫(yī)療保健設(shè)備，例如，血糖計(jì)、心率監(jiān)視器、溫度計(jì)和血壓表。

接近偵測(cè)和防盜配件

當(dāng)配戴BLE配件的寵物或兒童走出視線外，BLE穿戴式裝置會(huì)向智能手機(jī)發(fā)出提醒通知。內(nèi)置BLE的汽車(chē)鑰匙如果不見(jiàn)了，可以借助相連的智能手機(jī)輕松找到鑰匙。當(dāng)錢(qián)包或行李包內(nèi)置BLE配件時(shí)，如果有人想偷錢(qián)包或行李，智能手機(jī)就會(huì)提示用戶(hù)注意。

安全跟蹤

智能手表或安全跟蹤器等穿戴式裝置讓家長(zhǎng)能夠連續(xù)不斷地跟蹤孩子的位置，還能在孩子和女士用戶(hù)遭遇危險(xiǎn)時(shí)自動(dòng)發(fā)送緊急求助信號(hào)。工作原理是穿戴式裝置先向所連的智能手機(jī)發(fā)送急救信號(hào)，然后智能手機(jī)通過(guò)短信向相關(guān)救援機(jī)構(gòu)和親屬發(fā)送用戶(hù)所在位置。

結(jié)論

穿戴式裝置像互聯(lián)網(wǎng)一樣有改進(jìn)變世界的潛力。智能傳感器和低功能藍(lán)牙使穿戴式裝置具有感應(yīng)能力和通信功能，從而做出復(fù)雜的決策。穿戴式裝置將會(huì)開(kāi)創(chuàng)全新的用例，完成智能手機(jī)無(wú)法勝任的任務(wù)。醫(yī)療和健身有望成為穿戴式技術(shù)最大的應(yīng)用類(lèi)別，意法半導(dǎo)體提供一站式采購(gòu)服務(wù)，滿(mǎn)足穿戴式廠商所有的半導(dǎo)體需求，并提供驅(qū)動(dòng)程序和軟件庫(kù)支持，為穿戴式技術(shù)開(kāi)發(fā)人員和廠商加快研發(fā)周期。