可穿戴設備中的傳感器應用需求及趨勢

作者/ 迎九 金旺 《電子產品世界》編輯

摘要：本文就當下發(fā)展火熱的可穿戴設備，邀請業(yè)內專業(yè)人士對其中的傳感器的技術發(fā)展和應用趨勢進行了解答。

可穿戴設備對傳感器提出更高要求

　　便攜式、可移動式、可穿戴式及遠程化的應用對設備端的傳感器的信號采集及多芯片融合提出了更高的要求，尤其是在性能、功耗、體積及方案的完整性方面都與傳統(tǒng)的稍大型設備有很大不同，其整體要求更苛刻。同時，由此也帶來了新的市場機會。例如高性能及低功耗的先進傳感器產品備受市場青睞，模擬混合信號處理、無線傳輸?shù)确矫娑荚诖呱碌?，而且龐大的市場機會。同時，技術和方案的服務同樣重要，尤其對新的醫(yī)療設備提供商，數(shù)據的深入分析和反饋到最終用戶，也將成為新的業(yè)務模式。

　　精確測量固然是重要的指標，尤其是對于健康可穿戴類產品。對于精準測量目標的達成，我們自然要克服諸多挑戰(zhàn)和難題。影響測量精準性的因素眾多，除了用于設備芯片的精度以外，數(shù)據處理的算法、產品的結構、生產環(huán)節(jié)誤差的控制，以及用戶的使用方法和環(huán)境等都會嚴重影響最終測量的精確性，同時也要考慮多傳感器間的協(xié)同工作和彼此避免干擾等。例如，ADI的產品在芯片設計之初就考慮到以上諸多因素，最大限度地幫助用戶和使用者避免以上設計、生產及使用中的各類因素，力爭達到測量精度要求。除此以外， 多傳感器的融合也對芯片工藝和封裝技術提出更高的要求。

　　ADI的技術及產品貫穿健康領域整個鏈路，其中包括預防、診斷、治療及管理階段，之前我們更關注診斷和治療，現(xiàn)在由于移動醫(yī)療的興起，對預防及管理類的，即病前和院外處置的相關檢測設備(包括監(jiān)測設備)越來越被重視，同時，還有慢性病管理方面需要的日常增多，在監(jiān)測手段和方法上面都有可能催生新的產品形態(tài)和相應的技術革新。

　　ADI支持多種便攜式醫(yī)療及可穿戴健康領域的高精度、低功耗片上計量儀ADuCM350已在國內外的幾家有代表性的大客戶中取得了一定的進展。此芯片可以融合接入包括光電、心電、生理阻抗測量及其他多種模擬和數(shù)字輸出的各類傳感器，真正實現(xiàn)多傳感器的有機融合。另外，ADI的超低功耗3軸數(shù)字MEMS產品ADXL362在運動檢測喚醒模式下，功耗僅為300 nA，其超低功耗的特征是可穿戴運動監(jiān)測設備的理想解決方案。

多傳感器融合已成趨勢

　　目前，市場上以手表/手環(huán)為代表的穿戴設備所使用的傳感器，如運動檢測、環(huán)境檢測及健康管理等已成為主流應用，并不斷發(fā)展完善。據市場調查，未來幾年可穿戴設備仍會保持較高的市場增長率，相應的搭載在穿戴設備上的傳感器也會存在很大的發(fā)展空間。羅姆(ROHM)將順應這一趨勢，憑借多年來積累的技術經驗，從芯片的生產、LSI設計到封裝本著高精度、低功耗、小型化等原則致力于傳感器產品的研發(fā)，并提供使人們生活更加便利、舒適、安全的整體傳感器解決方案。

　　隨著傳感技術、數(shù)據處理技術及計算技術的快速發(fā)展，多種傳感器融合已發(fā)展成一門信息綜合處理的專門技術。在這個過程中，負責數(shù)據采集的傳感器、數(shù)據處理的MCU，以及數(shù)據傳輸?shù)臒o線通信都是必不可少的。針對這三塊，羅姆都有相應的產品及解決方案，可最大程度提供與客戶需求匹配度最高的解決方案。

　　在運動傳感器方面，羅姆利用MEMS壓電技術的十軸傳感器組合：加速度+陀螺儀+地磁+氣壓傳感器。加速度用在穿戴設備上主要用來計步、運動量檢測、睡眠質量監(jiān)測等，并可結合陀螺儀、地磁、氣壓來實現(xiàn)室內定位和導航。羅姆已開發(fā)出整合以上四種傳感器的評估demo，供客戶前期評估使用。

　　在移動電子產品當中，續(xù)航時間通常都是用戶比較關心的一個問題，所以各個部分的功耗一直都是開發(fā)人員非常關心的問題。許多傳感器由于需要頻繁地驅動及工作，會給主芯片帶來額外的負荷，ROHM采用傳感器融合技術，通過采用專門的低功耗傳感器微控制器，將傳感器的驅動工作從主芯片分離出來，單獨控制并進行數(shù)據處理，這樣不僅減輕了主芯片的負荷，還減少了數(shù)據傳輸量，更重要的是可以有效降低功耗。

　　另外，羅姆在環(huán)境傳感器、醫(yī)療保健(脈搏傳感器BH1790)及無線技術方面，都有完整的解決方案供應。

多傳感器并行與實時工作傳感器的應用

　　與傳感器相關的可穿戴應用有兩種不同但互相依附且不斷發(fā)展的趨勢：1)多個傳感器的并行連接及數(shù)據捕獲(如麥克風陣列、多攝像頭應用和多IMU應用)，這是傳感器聚合應用的高級形式;2)環(huán)境感知應用對于實時工作傳感器處理的需求不斷增長。

　　使用多個傳感器，系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的精度或獲取更多細節(jié)，如3D深度測繪、回聲和噪聲消除，以及流體運動跟蹤等。然而，由于大多數(shù)MCU和處理器I/O數(shù)量有限，并且無法捕獲和實現(xiàn)實時并行處理，因此，不適用于實現(xiàn)上述功能。而FPGA則能夠提供更多I/O和獨立的傳感器接口，更適合上述需要高級并行處理能力的應用。對于基于視覺的應用，如VR/AR的內向外跟蹤或虹膜跟蹤，萊迪思的MachXO3和CrossLink可編程ASSP(pASSP)可用于執(zhí)行多攝像頭聚合;如果對于深度測繪等自主計算有需求的話，可以使用具有更強處理能力的ECP5。萊迪思的iCE40移動FPGA產品系列經過優(yōu)化，可提供低功耗、低成本和小尺寸的特性，是低功耗和低數(shù)據速率應用(如麥克風陣列和紅外傳感器陣列橋接以及預處理)的理想選擇。萊迪思最近推出的iCE40 UltraPlus增加了I3C支持，可實現(xiàn)低功耗、實時攝像頭連接，以及低延遲的預處理應用。