可穿戴設備中的傳感器應用需求及趨勢

作者/ 迎九 金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：本文就當下發(fā)展火熱的可穿戴設備，邀請業(yè)內專(zhuān)業(yè)人士對其中的傳感器的技術(shù)發(fā)展和應用趨勢進(jìn)行了解答。

可穿戴設備對傳感器提出更高要求

　　便攜式、可移動(dòng)式、可穿戴式及遠程化的應用對設備端的傳感器的信號采集及多芯片融合提出了更高的要求，尤其是在性能、功耗、體積及方案的完整性方面都與傳統的稍大型設備有很大不同，其整體要求更苛刻。同時(shí)，由此也帶來(lái)了新的市場(chǎng)機會(huì )。例如高性能及低功耗的先進(jìn)傳感器產(chǎn)品備受市場(chǎng)青睞，模擬混合信號處理、無(wú)線(xiàn)傳輸等方面都在催生新的，而且龐大的市場(chǎng)機會(huì )。同時(shí)，技術(shù)和方案的服務(wù)同樣重要，尤其對新的醫療設備提供商，數據的深入分析和反饋到最終用戶(hù)，也將成為新的業(yè)務(wù)模式。

　　精確測量固然是重要的指標，尤其是對于健康可穿戴類(lèi)產(chǎn)品。對于精準測量目標的達成，我們自然要克服諸多挑戰和難題。影響測量精準性的因素眾多，除了用于設備芯片的精度以外，數據處理的算法、產(chǎn)品的結構、生產(chǎn)環(huán)節誤差的控制，以及用戶(hù)的使用方法和環(huán)境等都會(huì )嚴重影響最終測量的精確性，同時(shí)也要考慮多傳感器間的協(xié)同工作和彼此避免干擾等。例如，ADI的產(chǎn)品在芯片設計之初就考慮到以上諸多因素，最大限度地幫助用戶(hù)和使用者避免以上設計、生產(chǎn)及使用中的各類(lèi)因素，力爭達到測量精度要求。除此以外， 多傳感器的融合也對芯片工藝和封裝技術(shù)提出更高的要求。

　　ADI的技術(shù)及產(chǎn)品貫穿健康領(lǐng)域整個(gè)鏈路，其中包括預防、診斷、治療及管理階段，之前我們更關(guān)注診斷和治療，現在由于移動(dòng)醫療的興起，對預防及管理類(lèi)的，即病前和院外處置的相關(guān)檢測設備(包括監測設備)越來(lái)越被重視，同時(shí)，還有慢性病管理方面需要的日常增多，在監測手段和方法上面都有可能催生新的產(chǎn)品形態(tài)和相應的技術(shù)革新。

　　ADI支持多種便攜式醫療及可穿戴健康領(lǐng)域的高精度、低功耗片上計量?jì)xADuCM350已在國內外的幾家有代表性的大客戶(hù)中取得了一定的進(jìn)展。此芯片可以融合接入包括光電、心電、生理阻抗測量及其他多種模擬和數字輸出的各類(lèi)傳感器，真正實(shí)現多傳感器的有機融合。另外，ADI的超低功耗3軸數字MEMS產(chǎn)品ADXL362在運動(dòng)檢測喚醒模式下，功耗僅為300 nA，其超低功耗的特征是可穿戴運動(dòng)監測設備的理想解決方案。

多傳感器融合已成趨勢

　　目前，市場(chǎng)上以手表/手環(huán)為代表的穿戴設備所使用的傳感器，如運動(dòng)檢測、環(huán)境檢測及健康管理等已成為主流應用，并不斷發(fā)展完善。據市場(chǎng)調查，未來(lái)幾年可穿戴設備仍會(huì )保持較高的市場(chǎng)增長(cháng)率，相應的搭載在穿戴設備上的傳感器也會(huì )存在很大的發(fā)展空間。羅姆(ROHM)將順應這一趨勢，憑借多年來(lái)積累的技術(shù)經(jīng)驗，從芯片的生產(chǎn)、LSI設計到封裝本著(zhù)高精度、低功耗、小型化等原則致力于傳感器產(chǎn)品的研發(fā)，并提供使人們生活更加便利、舒適、安全的整體傳感器解決方案。

　　隨著(zhù)傳感技術(shù)、數據處理技術(shù)及計算技術(shù)的快速發(fā)展，多種傳感器融合已發(fā)展成一門(mén)信息綜合處理的專(zhuān)門(mén)技術(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，負責數據采集的傳感器、數據處理的MCU，以及數據傳輸的無(wú)線(xiàn)通信都是必不可少的。針對這三塊，羅姆都有相應的產(chǎn)品及解決方案，可最大程度提供與客戶(hù)需求匹配度最高的解決方案。

　　在運動(dòng)傳感器方面，羅姆利用MEMS壓電技術(shù)的十軸傳感器組合：加速度+陀螺儀+地磁+氣壓傳感器。加速度用在穿戴設備上主要用來(lái)計步、運動(dòng)量檢測、睡眠質(zhì)量監測等，并可結合陀螺儀、地磁、氣壓來(lái)實(shí)現室內定位和導航。羅姆已開(kāi)發(fā)出整合以上四種傳感器的評估demo，供客戶(hù)前期評估使用。

　　在移動(dòng)電子產(chǎn)品當中，續航時(shí)間通常都是用戶(hù)比較關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，所以各個(gè)部分的功耗一直都是開(kāi)發(fā)人員非常關(guān)心的問(wèn)題。許多傳感器由于需要頻繁地驅動(dòng)及工作，會(huì )給主芯片帶來(lái)額外的負荷，ROHM采用傳感器融合技術(shù)，通過(guò)采用專(zhuān)門(mén)的低功耗傳感器微控制器，將傳感器的驅動(dòng)工作從主芯片分離出來(lái)，單獨控制并進(jìn)行數據處理，這樣不僅減輕了主芯片的負荷，還減少了數據傳輸量，更重要的是可以有效降低功耗。

　　另外，羅姆在環(huán)境傳感器、醫療保健(脈搏傳感器BH1790)及無(wú)線(xiàn)技術(shù)方面，都有完整的解決方案供應。

多傳感器并行與實(shí)時(shí)工作傳感器的應用

　　與傳感器相關(guān)的可穿戴應用有兩種不同但互相依附且不斷發(fā)展的趨勢：1)多個(gè)傳感器的并行連接及數據捕獲(如麥克風(fēng)陣列、多攝像頭應用和多IMU應用)，這是傳感器聚合應用的高級形式;2)環(huán)境感知應用對于實(shí)時(shí)工作傳感器處理的需求不斷增長(cháng)。

　　使用多個(gè)傳感器，系統可以實(shí)現更高的精度或獲取更多細節，如3D深度測繪、回聲和噪聲消除，以及流體運動(dòng)跟蹤等。然而，由于大多數MCU和處理器I/O數量有限，并且無(wú)法捕獲和實(shí)現實(shí)時(shí)并行處理，因此，不適用于實(shí)現上述功能。而FPGA則能夠提供更多I/O和獨立的傳感器接口，更適合上述需要高級并行處理能力的應用。對于基于視覺(jué)的應用，如VR/AR的內向外跟蹤或虹膜跟蹤，萊迪思的MachXO3和CrossLink可編程ASSP(pASSP)可用于執行多攝像頭聚合;如果對于深度測繪等自主計算有需求的話(huà)，可以使用具有更強處理能力的ECP5。萊迪思的iCE40移動(dòng)FPGA產(chǎn)品系列經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提供低功耗、低成本和小尺寸的特性，是低功耗和低數據速率應用(如麥克風(fēng)陣列和紅外傳感器陣列橋接以及預處理)的理想選擇。萊迪思最近推出的iCE40 UltraPlus增加了I3C支持，可實(shí)現低功耗、實(shí)時(shí)攝像頭連接，以及低延遲的預處理應用。