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，用戶可隨身穿戴而得名。從產(chǎn)品類別上看，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?qū)ｉT的醫(yī)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(shè)配件，具有一定計算能力，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)和傳感器問世，穿戴式裝置才變得種類繁多，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

顧名思義，穿戴式裝置是人們長期隨身配戴的電子產(chǎn)品，其特點是長時間開機聯(lián)網(wǎng)。

a)始終開機

穿戴式裝置必須連續(xù)工作，監(jiān)視或輸出對用戶至關(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。

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身上的，所以產(chǎn)品尺寸必須小巧，外觀實用美觀。笨拙的穿戴式裝置對于用戶來說是額外的負擔(dān)，不會被市場的接受。

d)環(huán)境感測

環(huán)境感測是穿戴式裝置贏得市場認(rèn)可的重要原因，今天，穿戴式裝置不僅能監(jiān)測用戶活動信息，還能監(jiān)測溫度、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)足以濾除真實數(shù)據(jù)中的噪聲，當(dāng)重要信息需要傳輸時，能夠向用戶發(fā)出通知。例如，當(dāng)用戶巧遇意外或需要急救時，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世并贏得市場認(rèn)可的重要因素。穿戴式裝置應(yīng)通過藍牙、WiFi等無線通信技術(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(wèi)星，監(jiān)視用戶所在方位。

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)新的穿戴式裝置問世的主要推動力之一，下面是當(dāng)前市場最熱的幾種傳感器。

a)加速度計

加速度計又稱重力傳感器，用于檢測線性加速度、振動、傾斜度、自由落體等物體運動。加速度傳感器用于實現(xiàn)水平調(diào)整、防盜、振動通知、計步、成人及孩子遠程監(jiān)控等功能。

b)陀螺儀

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

c)羅盤

羅盤可測量地環(huán)磁場方向，為設(shè)備提供指標(biāo)方向功能。羅盤廣泛用于室內(nèi)導(dǎo)航和手機地圖導(dǎo)航。

圖2 微型高性能電子羅盤： 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(shè)計氣壓計和測高度計。意法半導(dǎo)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，可用于實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航、增強實境和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(zhuǎn)換器，信號轉(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，使用時間更長

III.尺寸緊湊，可集成到纖薄的時尚設(shè)計內(nèi)

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

b)開關(guān)

開關(guān)采用多路復(fù)用或多路分配的方法傳輸各種信號。智能裝置內(nèi)的傳感器數(shù)量越來越多，開關(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(dǎo)體模擬開關(guān)的目標(biāo)應(yīng)用覆蓋從音頻到USB的所有信號拓撲，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。

音頻

a)MEMS麥克風(fēng)

b)MEMS麥克風(fēng)將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號的聲學(xué)傳感器，因為信噪比更高，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，MEMS麥克風(fēng)比傳統(tǒng)麥克風(fēng)更受市場青睞。

麥克風(fēng)使人機互動變得更加容易快捷，操作變得更加流暢。在外觀設(shè)計上，麥克風(fēng)的使用可以減少按鈕數(shù)量，幫助設(shè)計人員開發(fā)出時尚美觀的產(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。

● 監(jiān)聽/低功耗模式: 在保證麥克風(fēng)偵測語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)置為語音控制應(yīng)用所需的最佳參數(shù)。

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

c)音頻放大器

重現(xiàn)音樂、話音或有聲通知需要喇叭，而驅(qū)動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，及時通知用戶充電或自動關(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集成電壓電流對時間變化監(jiān)測功能，因此提供最準(zhǔn)確的電池電量監(jiān)測功能。

b)智能復(fù)位

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

圖8 STM6519 IC讓一個按鈕實現(xiàn)兩個功能。

c)實時時鐘[RTC]

在穿戴式裝置中，實時時鐘不僅用于計時，還讓系統(tǒng)按時進入低功耗省電模式。電池供電的微型裝置需要低功耗的微型封裝的實時時鐘。意法半導(dǎo)體的M41T62 RTC是一個微型封裝的內(nèi)置晶體的350nA實時時鐘。

穿戴式裝置的主要目標(biāo)應(yīng)用

健身養(yǎng)生

智能手表、運動監(jiān)測器、計步器等智能穿戴式裝置讓用戶能夠在智能手機上監(jiān)視自己的健身活動。穿戴式裝置還可以充當(dāng)運動監(jiān)測器、智能腳墊、睡眠傳感器和心率監(jiān)測器，優(yōu)化體育成績，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BLE連到智能手機，甚至還可以通過智能手機連接到互聯(lián)網(wǎng)，將測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、心率監(jiān)視器、溫度計和血壓表。

接近偵測和防盜配件

當(dāng)配戴BLE配件的寵物或兒童走出視線外，BLE穿戴式裝置會向智能手機發(fā)出提醒通知。內(nèi)置BLE的汽車鑰匙如果不見了，可以借助相連的智能手機輕松找到鑰匙。當(dāng)錢包或行李包內(nèi)置BLE配件時，如果有人想偷錢包或行李，智能手機就會提示用戶注意。

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遭遇危險時自動發(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，然后智能手機通過短信向相關(guān)救援機構(gòu)和親屬發(fā)送用戶所在位置。

結(jié)論

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