一個(gè)傳感器加上使用它的創(chuàng )意能獲得什么？答案是革命性的產(chǎn)品。

 

昔日，iPhone與多點(diǎn)觸摸傳感器的完美融合給手機業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)顛覆性變革。通過(guò)簡(jiǎn)單的觸點(diǎn)滑動(dòng)，便捷的操作恍若指尖一次次綻放的華麗魔法，扣動(dòng)著(zhù)全世界人們的心弦。而近年來(lái)大熱的可穿戴設備，無(wú)疑將成為傳感器的下一榮耀舞臺。

 

為了讓產(chǎn)品更具競爭力，可穿戴設備的功能已日漸豐富，而不斷創(chuàng )新的傳感技術(shù)，則成為產(chǎn)品追求差異化的不二法門(mén)。

 

 

圖：微軟手環(huán)設計有10款傳感器

 

縱觀(guān)整個(gè)中國市場(chǎng)，近年來(lái)傳感器市場(chǎng)一直處于持續增長(cháng)的階段，且未來(lái)五年平均銷(xiāo)售增長(cháng)率將達31%（可穿戴設備僅是其中的助力之一），而在快速發(fā)展的同時(shí)，技術(shù)水平偏低、種類(lèi)欠缺、研發(fā)能力較弱等問(wèn)題仍亟待解決，無(wú)法形成足夠的規?；瘧?。

 

鑒此，對于新興的可穿戴市場(chǎng)而言，傳感器將迎來(lái)哪些設計挑戰？技術(shù)之困究竟如何突圍？

 

 

可穿戴正在從簡(jiǎn)單的基于加速計的“智能計步器”向包括生物感應（例如心率監視）和環(huán)境感應（包括紫外線(xiàn)指數、相對濕度和溫度）的方向轉換，Silicon Labs光傳感器資深產(chǎn)品經(jīng)理Kevin Kilbane如是說(shuō)，而準確性，無(wú)疑是一個(gè)關(guān)鍵的設計挑戰。

 

● 人為的減少運動(dòng)和生理變化所造成的影響非常具有挑戰性，這對先進(jìn)的信號處理算法提出了更高要求。

 

● 面向溫濕度檢測的可穿戴產(chǎn)品要求傳感器直接暴露在空氣中，因此避免灰塵、污垢、水及其他污染物進(jìn)入這個(gè)開(kāi)口或弄臟電路十分重要，它們將影響數據的可靠性與準確度。

 

● 測量環(huán)境溫度需要消除皮膚、MCU、電池和其他電子器件所產(chǎn)生的熱影響，同時(shí)要求考慮到如何適用于最廣泛用戶(hù)群體以降低退貨率。通常使用綠光LED的解決方案能夠有效的處理淺色皮膚帶來(lái)的影響，對于深色皮膚而言黃光LED處理的效果更佳。

 

“此外，還有一些常見(jiàn)的設計挑戰，包括傳感器個(gè)數增加的同時(shí)保持產(chǎn)品外形尺寸、延長(cháng)電池使用壽命和縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。”

 

 

傳感器算法是解決可穿戴傳感器設計眾多挑戰的關(guān)鍵。Kevin舉例表示，一款旨在監視心率的智能手表在用戶(hù)站立不動(dòng)時(shí)能夠提供良好的準確度，而在運動(dòng)時(shí)準確度可能會(huì )有所下降。“先進(jìn)的光學(xué)傳感器算法是必要的，以便過(guò)濾或消除在身體活動(dòng)期間所產(chǎn)生的噪聲。這些算法通常使用加快數據的采樣來(lái)過(guò)濾被噪聲破壞的心率采樣數據，或者主動(dòng)消除噪聲。”

 

ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)和應用經(jīng)理趙延輝表示，精度、功耗和體積是傳感器需要重點(diǎn)考量的指標。

 

趙延輝也指出，在不同情境下準確的捕捉用戶(hù)運動(dòng)狀態(tài)十分關(guān)鍵。“比如用戶(hù)在散步的時(shí)候，加速度的峰峰值變化可能非常小，這時(shí)就需要MEMS傳感器有足夠的分辨率來(lái)提取出有效的加速度變化。再比如有振動(dòng)的環(huán)境下，頻率可能達到幾十甚至上百赫茲，遠超過(guò)普通人或者是運動(dòng)員的正常運動(dòng)頻率，這時(shí)就需要MEMS傳感器有合適的濾波器能自動(dòng)濾除這些干擾頻率，否則一旦經(jīng)ADC采樣，混疊進(jìn)用戶(hù)感興趣的頻域范圍內，軟件再怎么處理也是沒(méi)有辦法分辨的。”

 

而另一個(gè)有趣的示例則是，當從溫暖的房間移動(dòng)到寒冷的室外時(shí)快速改變的溫度和濕度。先進(jìn)的自適應補償算法能夠利用可穿戴設備中的多個(gè)傳感器，以最高可達10倍的速度快速校正較大的溫度或濕度變動(dòng)。這些自適應補償算法還能夠通過(guò)補償消費者手腕和可穿戴設備中元器件所產(chǎn)生的熱量，獲得更加準確的環(huán)境溫度測量數據。

 

 

高精度測量與功耗的平衡，是一個(gè)需要花力氣去解決的問(wèn)題。ADI加速度傳感器ADXL362提供1mg/LSB的靈敏度以使得傳感器可以準確分辨非常小的峰峰值加速度變化，并具備有低功耗，低噪聲和超低噪聲三種工作模式，以滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景對噪聲的需求。在功耗方面，ADXL362可實(shí)現系統級低功耗——不只是針對休眠模式，或低采樣率下的功耗，而是在全速工作時(shí)依然可以保持低功耗狀態(tài)。

 

為有效降低功耗，ADXL362提供了一個(gè)開(kāi)關(guān)模式，它可以在相對低功耗的狀態(tài)下自動(dòng)檢測是否有運動(dòng)發(fā)生，一旦檢測到有運動(dòng)發(fā)生即通知MCU，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)入全速工作模式；待靜止一段時(shí)間后，ADXL362又可以檢測到連續的平穩加速度，再自動(dòng)進(jìn)入低功耗的監測模式。而實(shí)現這樣的功能，ADXL362只需要270nA的電流。

 

此外，ADXL362還提供了一個(gè)1024字節的FIFO，由于A(yíng)DXL362有12bits的靈敏度，所以一個(gè)樣本或者說(shuō)一個(gè)軸向的加速度需要2個(gè)字節來(lái)存儲，要存儲三軸的加速度就需要6個(gè)字節。在輸出數據速率為100Hz的條件下，FIFO可以1.7秒（1024 / 6 / 100 = 1.7）給MCU一次中斷，MCU只需一條讀指令，而后給連續的時(shí)鐘把所有加速度數據讀走，這樣MCU就可以休眠更長(cháng)的時(shí)間，大大節省系統的功耗。而如果沒(méi)有FIFO，MCU則需要0.01秒（1/100）喚醒一次來(lái)讀3軸的加速度數據，MCU休眠時(shí)間短，且頻繁的喚醒產(chǎn)生峰值電流，相應的平均電流也會(huì )顯著(zhù)增加。

 

而對于Silicon Labs而言，其基于CMOS的環(huán)境（RH/溫度）和光（環(huán)境光、紫外線(xiàn)指數、手勢、心率）傳感器擁有業(yè)內最低的能耗。光學(xué)傳感器在緊湊的2mm x 2mm QFN包裝中完整集成了光電二極管、17位模擬-數字轉換器、模擬濾波和易于連接到SoC的I2C接口。片內集成光電二極管和低噪聲模擬前端（AFE）所產(chǎn)生的高靈敏度使得傳感器器件即使在微弱的血流信號下也能以最小能耗準確感應測量。許多其他感應解決方案通常需要一個(gè)分立的尺寸大于2mm x 2mm的光電二極管，以及一個(gè)分離的AFE組件。