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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(jī)業(yè)帶來了一場(chǎng)顛覆性變革。通過簡(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)著全世界人們的心弦。而近年來大熱的可穿戴設(shè)備，無疑將成為傳感器的下一榮耀舞臺(tái)。

 

為了讓產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，可穿戴設(shè)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。

 

 

圖：微軟手環(huán)設(shè)計(jì)有10款傳感器

 

縱觀整個(gè)中國(guó)市場(chǎng)，近年來傳感器市場(chǎng)一直處于持續(xù)增長(zhǎng)的階段，且未來五年平均銷售增長(zhǎng)率將達(dá)31%（可穿戴設(shè)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、種類欠缺、研發(fā)能力較弱等問題仍亟待解決，無法形成足夠的規(guī)模化應(yīng)用。

 

鑒此，對(duì)于新興的可穿戴市場(chǎng)而言，傳感器將迎來哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？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(jì)的“智能計(jì)步器”向包括生物感應(yīng)（例如心率監(jiān)視）和環(huán)境感應(yīng)（包括紫外線指數(shù)、相對(duì)濕度和溫度）的方向轉(zhuǎn)換，Silicon Labs光傳感器資深產(chǎn)品經(jīng)理Kevin Kilbane如是說，而準(zhǔn)確性，無疑是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

 

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

 

● 面向溫濕度檢測(cè)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)開口或弄臟電路十分重要，它們將影響數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確度。

 

● 測(cè)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的影響，對(duì)于深色皮膚而言黃光LED處理的效果更佳。

 

“此外，還有一些常見的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括傳感器個(gè)數(shù)增加的同時(shí)保持產(chǎn)品外形尺寸、延長(zhǎng)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(shè)計(jì)眾多挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。Kevin舉例表示，一款旨在監(jiān)視心率的智能手表在用戶站立不動(dòng)時(shí)能夠提供良好的準(zhǔn)確度，而在運(yùn)動(dòng)時(shí)準(zhǔn)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(shù)據(jù)的采樣來過濾被噪聲破壞的心率采樣數(shù)據(jù)，或者主動(dòng)消除噪聲。”

 

ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)和應(yīng)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(biāo)。

 

趙延輝也指出，在不同情境下準(zhǔn)確的捕捉用戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)十分關(guān)鍵。“比如用戶在散步的時(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(dá)到幾十甚至上百赫茲，遠(yuǎn)超過普通人或者是運(yùn)動(dòng)員的正常運(yùn)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)用戶感興趣的頻域范圍內(nèi)，軟件再怎么處理也是沒有辦法分辨的。”

 

而另一個(gè)有趣的示例則是，當(dāng)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(yīng)補(bǔ)償算法能夠利用可穿戴設(shè)備中的多個(gè)傳感器，以最高可達(dá)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(yīng)補(bǔ)償算法還能夠通過補(bǔ)償消費(fèi)者手腕和可穿戴設(shè)備中元器件所產(chǎn)生的熱量，獲得更加準(zhǔn)確的環(huán)境溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。

 

 

高精度測(cè)量與功耗的平衡，是一個(gè)需要花力氣去解決的問題。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(zhǔn)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，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)噪聲的需求。在功耗方面，ADXL362可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)低功耗——不只是針對(duì)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)開關(guān)模式，它可以在相對(duì)低功耗的狀態(tài)下自動(dòng)檢測(cè)是否有運(yùn)動(dòng)發(fā)生，一旦檢測(cè)到有運(yùn)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(cè)到連續(xù)的平穩(wěn)加速度，再自動(dòng)進(jìn)入低功耗的監(jiān)測(cè)模式。而實(shí)現(xiàn)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(jié)的FIFO，由于ADXL362有12bits的靈敏度，所以一個(gè)樣本或者說一個(gè)軸向的加速度需要2個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)，要存儲(chǔ)三軸的加速度就需要6個(gè)字節(jié)。在輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz的條件下，F(xiàn)IFO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(xù)的時(shí)鐘把所有加速度數(shù)據(jù)讀走，這樣MCU就可以休眠更長(zhǎng)的時(shí)間，大大節(jié)省系統(tǒng)的功耗。而如果沒有FIFO，MCU則需要0.01秒（1/100）喚醒一次來讀3軸的加速度數(shù)據(jù)，MCU休眠時(shí)間短，且頻繁的喚醒產(chǎn)生峰值電流，相應(yīng)的平均電流也會(huì)顯著增加。

 

而對(duì)于Silicon Labs而言，其基于CMOS的環(huán)境（RH/溫度）和光（環(huán)境光、紫外線指數(shù)、手勢(shì)、心率）傳感器擁有業(yè)內(nèi)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(shù)字轉(zhuǎn)換器、模擬濾波和易于連接到SoC的I2C接口。片內(nèi)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(hào)下也能以最小能耗準(zhǔn)確感應(yīng)測(cè)量。許多其他感應(yīng)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。