一個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與多點觸摸傳感器的完美融合給手機業(yè)帶來了一場顛覆性變革。通過簡單的觸點滑動，便捷的操作恍若指尖一次次綻放的華麗魔法，扣動著全世界人們的心弦。而近年來大熱的可穿戴設備，無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，則成為產(chǎn)品追求差異化的不二法門。

 

 

圖：微軟手環(huán)設計有10款傳感器

 

縱觀整個中國市場，近年來傳感器市場一直處于持續(xù)增長的階段，且未來五年平均銷售增長率將達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，技術水平偏低、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)模化應用。

 

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

 

 

可穿戴正在從簡單的基于加速計的“智能計步器”向包括生物感應（例如心率監(jiān)視）和環(huán)境感應（包括紫外線指數(shù)、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，而準確性，無疑是一個關鍵的設計挑戰(zhàn)。

 

● 人為的減少運動和生理變化所造成的影響非常具有挑戰(zhàn)性，這對先進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、水及其他污染物進入這個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，還有一些常見的設計挑戰(zhàn)，包括傳感器個數(shù)增加的同時保持產(chǎn)品外形尺寸、延長電池使用壽命和縮短產(chǎn)品上市時間。”

 

 

傳感器算法是解決可穿戴傳感器設計眾多挑戰(zhàn)的關鍵。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時能夠提供良好的準確度，而在運動時準確度可能會有所下降。“先進的光學傳感器算法是必要的，以便過濾或消除在身體活動期間所產(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)，或者主動消除噪聲。”

 

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

 

趙延輝也指出，在不同情境下準確的捕捉用戶運動狀態(tài)十分關鍵。“比如用戶在散步的時候，加速度的峰峰值變化可能非常小，這時就需要MEMS傳感器有足夠的分辨率來提取出有效的加速度變化。再比如有振動的環(huán)境下，頻率可能達到幾十甚至上百赫茲，遠超過普通人或者是運動員的正常運動頻率，這時就需要MEMS傳感器有合適的濾波器能自動濾除這些干擾頻率，否則一旦經(jīng)ADC采樣，混疊進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。”

 

而另一個有趣的示例則是，當從溫暖的房間移動到寒冷的室外時快速改變的溫度和濕度。先進的自適應補償算法能夠利用可穿戴設備中的多個傳感器，以最高可達10倍的速度快速校正較大的溫度或濕度變動。這些自適應補償算法還能夠通過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(shù)據(jù)。

 

 

高精度測量與功耗的平衡，是一個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，以滿足不同應用場景對噪聲的需求。在功耗方面，ADXL362可實現(xiàn)系統(tǒng)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提供了一個開關模式，它可以在相對低功耗的狀態(tài)下自動檢測是否有運動發(fā)生，一旦檢測到有運動發(fā)生即通知MCU，同時自動進入全速工作模式；待靜止一段時間后，ADXL362又可以檢測到連續(xù)的平穩(wěn)加速度，再自動進入低功耗的監(jiān)測模式。而實現(xiàn)這樣的功能，ADXL362只需要270nA的電流。

 

此外，ADXL362還提供了一個1024字節(jié)的FIFO，由于ADXL362有12bits的靈敏度，所以一個樣本或者說一個軸向的加速度需要2個字節(jié)來存儲，要存儲三軸的加速度就需要6個字節(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)的時鐘把所有加速度數(shù)據(jù)讀走，這樣MCU就可以休眠更長的時間，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休眠時間短，且頻繁的喚醒產(chǎn)生峰值電流，相應的平均電流也會顯著增加。

 

而對于Silicon Labs而言，其基于CMOS的環(huán)境（RH/溫度）和光（環(huán)境光、紫外線指數(shù)、手勢、心率）傳感器擁有業(yè)內(nèi)最低的能耗。光學傳感器在緊湊的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分立的尺寸大于2mm x 2mm的光電二極管，以及一個分離的AFE組件。