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、電腦手機的配件、健身跟蹤器、人身安全裝置或專(zhuān)門(mén)的醫療裝置。從功能上看，穿戴式裝置可以是獨立的電子產(chǎn)品，也可以是平板電腦或智能手機的外設配件，具有一定計算能力，能夠充當主設備的輸入輸出設備。

從歷史角度看，雖然手表和穿戴式計算器曾一度火熱，但是，直到低功耗藍牙通信、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(cháng)期隨身配戴的電子產(chǎn)品，其特點(diǎn)是長(cháng)時(shí)間開(kāi)機聯(lián)網(wǎng)。

a)始終開(kāi)機

穿戴式裝置必須連續工作，監視或輸出對用戶(hù)至關(guān)重要的數據。穿戴式裝置可以有睡眠模式，但是決不能斷電關(guān)機。

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(guān)實(shí)用美觀(guān)。笨拙的穿戴式裝置對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是額外的負擔，不會(huì )被市場(chǎng)的接受。

d)環(huán)境感測

環(huán)境感測是穿戴式裝置贏(yíng)得市場(chǎng)認可的重要原因，今天，穿戴式裝置不僅能監測用戶(hù)活動(dòng)信息，還能監測溫度、濕度、紫外光等環(huán)境參數。

e)智能功能

穿戴式裝置的智能化應足以濾除真實(shí)數據中的噪聲，當重要信息需要傳輸時(shí)，能夠向用戶(hù)發(fā)出通知。例如，當用戶(hù)巧遇意外或需要急救時(shí)，智能手環(huán)應能夠向急救中心發(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(yíng)得市場(chǎng)認可的重要因素。穿戴式裝置應通過(guò)藍牙、WiFi等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)連接平板電腦或智能手機。此外，穿戴式裝置還能連接GPS衛星，監視用戶(hù)所在方位。

穿戴式裝置架構

典型的穿戴式裝置架構包括下列單元：

a)傳感器 – 數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

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，下面是當前市場(chǎng)最熱的幾種傳感器。

a)加速度計

加速度計又稱(chēng)重力傳感器，用于檢測線(xiàn)性加速度、振動(dòng)、傾斜度、自由落體等物體運動(dòng)。加速度傳感器用于實(shí)現水平調整、防盜、振動(dòng)通知、計步、成人及孩子遠程監控等功能。

b)陀螺儀

陀螺儀可測量角速率，用于實(shí)現電子游戲、3D鼠標、體育訓練等功能。

c)羅盤(pán)

羅盤(pán)可測量地環(huán)磁場(chǎng)方向，為設備提供指標方向功能。羅盤(pán)廣泛用于室內導航和手機地圖導航。

圖2 微型高性能電子羅盤(pán)： 3D 加速度計和 3D磁強計模塊

d)氣壓傳感器

氣壓傳感器可測量地球大氣壓，用于設計氣壓計和測高度計。意法半導體的LPS25H氣壓傳感器測量精度特別高，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)現室內導航、增強實(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

e)溫度和濕度傳感器

溫度和濕度傳感器可測量溫度和濕度，控制穿戴式裝置的性能。

模擬前端

a)運算放大器

模擬傳感器向微控制器傳送信息需要使用信號轉換器，信號轉換器應具有下列重要特性：

I.精確且穩定，盡可能提高信息準確性

II.低功耗，使用時(shí)間更長(cháng)

III.尺寸緊湊，可集成到纖薄的時(shí)尚設計內

運算放大器必須滿(mǎn)足低輸入失調電壓和零漂移率兩個(gè)要求，否則，電極信息的準確性沒(méi)有保證。雖然信號功率恢復如初，但是在信號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)采用多路復用或多路分配的方法傳輸各種信號。智能裝置內的傳感器數量越來(lái)越多，開(kāi)關(guān)為輸入輸出信號分配路由，還能選擇將音頻信號分配到喇叭還是耳機。意法半導體模擬開(kāi)關(guān)的目標應用覆蓋從音頻到USB的所有信號拓撲，能夠滿(mǎn)足大多數應用需求。

音頻

a)MEMS麥克風(fēng)

b)MEMS麥克風(fēng)將聲信號轉化為電信號的聲學(xué)傳感器，因為信噪比更高，外觀(guān)尺寸更小，提供數字接口，抗射頻性能更高，防振能力更強，MEMS麥克風(fēng)比傳統麥克風(fēng)更受市場(chǎng)青睞。

麥克風(fēng)使人機互動(dòng)變得更加容易快捷，操作變得更加流暢。在外觀(guān)設計上，麥克風(fēng)的使用可以減少按鈕數量，幫助設計人員開(kāi)發(fā)出時(shí)尚美觀(guān)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。

● 監聽(tīng)/低功耗模式: 在保證麥克風(fēng)偵測語(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)參數設置為語(yǔ)音控制應用所需的最佳參數。

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

c)音頻放大器

重現音樂(lè )、話(huà)音或有聲通知需要喇叭，而驅動(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備輸出高品質(zhì)音頻。

電源管理

a)電池電量監視

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

b)智能復位

隨著(zhù)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，軟件復雜性呈指數增長(cháng)。隨著(zhù)功能數量增加，終端用戶(hù)誤操作的概率也相應擴大，系統崩潰時(shí)有發(fā)生，為維護產(chǎn)品質(zhì)量和品牌名氣，需要跳隊列，重新啟動(dòng)應用。

圖8 STM6519 IC讓一個(gè)按鈕實(shí)現兩個(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)鐘不僅用于計時(shí)，還讓系統按時(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。意法半導體的M41T62 RTC是一個(gè)微型封裝的內置晶體的350nA實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

穿戴式裝置的主要目標應用

健身養生

智能手表、運動(dòng)監測器、計步器等智能穿戴式裝置讓用戶(hù)能夠在智能手機上監視自己的健身活動(dòng)。穿戴式裝置還可以充當運動(dòng)監測器、智能腳墊、睡眠傳感器和心率監測器，優(yōu)化體育成績(jì)，監視健身目標，控制體重，分享方位數據。

醫療保健

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

接近偵測和防盜配件

當配戴BLE配件的寵物或兒童走出視線(xiàn)外，BLE穿戴式裝置會(huì )向智能手機發(fā)出提醒通知。內置BLE的汽車(chē)鑰匙如果不見(jiàn)了，可以借助相連的智能手機輕松找到鑰匙。當錢(qián)包或行李包內置BLE配件時(shí)，如果有人想偷錢(qián)包或行李，智能手機就會(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(cháng)能夠連續不斷地跟蹤孩子的位置，還能在孩子和女士用戶(hù)遭遇危險時(shí)自動(dòng)發(fā)送緊急求助信號。工作原理是穿戴式裝置先向所連的智能手機發(fā)送急救信號，然后智能手機通過(guò)短信向相關(guān)救援機構和親屬發(fā)送用戶(hù)所在位置。

結論

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牙使穿戴式裝置具有感應能力和通信功能，從而做出復雜的決策。穿戴式裝置將會(huì )開(kāi)創(chuàng )全新的用例，完成智能手機無(wú)法勝任的任務(wù)。醫療和健身有望成為穿戴式技術(shù)最大的應用類(lèi)別，意法半導體提供一站式采購服務(wù)，滿(mǎn)足穿戴式廠(chǎng)商所有的半導體需求，并提供驅動(dòng)程序和軟件庫支持，為穿戴式技術(shù)開(kāi)發(fā)人員和廠(chǎng)商加快研發(fā)周期。