您可以从传感器以及使用它的创造力中获得什么?答案是革命性的产品。
过去,iPhone与多点触控传感器的完美融合给手机行业带来了颠覆性的改变。
只需滑动触摸点,便捷的操作就像一次又一次在指尖绽放的绚丽魔法,牵动着全世界人们的心弦。
近年来非常流行的可穿戴设备无疑将成为传感器的下一个辉煌阶段。
为了让产品更具竞争力,可穿戴设备的功能日益丰富,不断创新的传感技术成为追求产品差异化的必由之路。
放眼整个中国市场,传感器市场近年来处于持续增长阶段,未来五年平均销售增速将达到31%(可穿戴设备只是助推器之一)。
在快速发展的同时,技术水平低、品种缺乏、研发能力弱等问题仍需解决,无法形成足够的规模化应用。
鉴于此,新兴的可穿戴市场的传感器将面临哪些设计挑战?如何突破技术难点?可穿戴设备引发的新设计挑战 可穿戴设备正在从简单的基于加速计的“智能计步器”转向包括生物识别传感(例如心率监测)和环境传感(包括紫外线指数、相对湿度和温度),高级产品 Kevin Kilbane 表示Silicon Labs 光传感器经理,准确性无疑是一个关键的设计挑战。
◎人为地减少运动和生理变化的影响非常具有挑战性,这对先进的信号处理算法提出了更高的要求。
◎用于温度和湿度检测的可穿戴产品要求传感器直接暴露在空气中,因此避免灰尘、污垢、水和其他污染物进入此开口或污染电路非常重要。
它们会影响数据的可靠性和准确性。
◎测量环境温度需要消除皮肤、MCU、电池等电子设备产生的热效应,还需要考虑如何适用于最广泛的用户群体以降低退货率。
一般来说,使用绿色LED的解决方案可以有效应对浅色皮肤的影响。
对于深色皮肤,黄色 LED 治疗更有效。
“此外,还存在一些常见的设计挑战,包括在保持产品外形尺寸的同时增加传感器数量、延长电池寿命以及缩短产品上市时间。
” 传感器算法的神奇用途 传感器算法是解决可穿戴传感器设计中众多挑战的关键。
例如,Kevin表示,一款专门用于监测心率的智能手表在用户站立不动时可以提供良好的准确度,但在运动时准确度可能会下降。
“为了过滤或消除身体活动期间产生的噪音,需要先进的光学传感器算法。
这些算法通常使用数据加速采样来过滤被噪声破坏的心率采样数据,或者主动消除噪声。
”ADI亚太区微机电产品营销与应用经理赵彦辉表示,精度、功耗和体积是传感器需要考虑的关键指标。
赵彦辉还指出,准确捕捉用户的运动状态非常重要“例如,用户在行走时,加速度的峰峰值变化可能很小。
在这种情况下,MEMS传感器需要有足够的分辨率来提取有效的加速度变化。
又比如,在振动环境下,频率可能达到几十甚至上百赫兹,远远高于普通人或运动员的正常运动频率。
这时MEMS传感器需要有合适的滤波器来自动滤除这些干扰频率,否则一旦被ADC采样并混叠到用户感兴趣的频域范围内,无论软件如何处理,都有是没有办法区分的。
另一个有趣的例子是从温暖的房间移动到寒冷的室外时温度和湿度的快速变化。
先进的自适应补偿算法可以利用可穿戴设备中的多个传感器来实现多达 10 个。
这些自适应补偿算法还可以通过补偿消费者手腕和可穿戴设备中的组件产生的热量来提供更准确的环境温度测量。
如何兼具“低功耗”?高精度测量与功耗之间的平衡是一个需要努力解决的问题。
ADI 加速度传感器 ADXL 提供 1mg/LSB 的灵敏度,使传感器能够准确地区分非常小的峰峰值加速度变化。
,并具有低功耗、低噪声、超低噪声三种工作模式,满足不同应用场景的噪声要求。
在功耗方面,ADXL可以实现系统级低功耗——不仅仅是睡眠模式。
或者是低采样率时的功耗,但全速工作时仍能保持低功耗状态。
为了有效降低功耗,ADXL提供了开关模式,可以在比较低功耗的状态下自动检测是否有信号。
当发生移动时,一旦检测到移动就会通知MCU,并自动进入全速工作模式;静止一段时间后,ADXL可以检测到连续平滑的加速,然后自动进入低功耗监控模式来实现这一点。
功能上,ADXL只需要nA电流。
此外,ADXL还提供了字节FIFO。
由于ADXL的灵敏度为12位,因此一个样本或一个轴向加速度需要2个字节来存储,并且必须存储三个轴。
加速需要6个字节。
在输出数据速率为Hz的情况下,FIFO可以在1.7秒(/6/=1.7)内中断MCU一次。
MCU只需要一条读指令,然后将所有加速数据读取到连续时钟,使MCU可以休眠更长的时间,大大节省系统的功耗。
如果没有 FIFO,MCU 需要每 0.01 秒(1/)唤醒一次,读取 3 个轴的加速度数据。
MCU休眠时间短,频繁唤醒会产生峰值电流,相应的平均电流也会大幅增加。
对于Silicon Labs来说,其基于CMOS的环境(相对湿度/温度)和光(环境光、紫外线指数、手势、心率)传感器具有业界最低的能耗。
该光学传感器完全集成了光电二极管、17 位模数转换器、模拟滤波和 I2C 接口,可轻松连接到紧凑型 2mm x 2mm QFN 封装中的 SoC。
片上集成光电二极管和低噪声模拟前端 (AFE) 产生的高灵敏度使传感器设备能够以最小的能耗准确感测和测量微弱的血流信号。
许多其他传感解决方案通常需要大于 2mm x 2mm 的分立光电二极管和单独的 AFE 组件。