可穿戴設(shè)備中的傳感器應(yīng)用需求及趨勢

作者/ 迎九 金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：本文就當(dāng)下發(fā)展火熱的可穿戴設(shè)備，邀請業(yè)內(nèi)專業(yè)人士對其中的傳感器的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢進(jìn)行了解答。

可穿戴設(shè)備對傳感器提出更高要求

　　便攜式、可移動(dòng)式、可穿戴式及遠(yuǎn)程化的應(yīng)用對設(shè)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(shè)備有很大不同，其整體要求更苛刻。同時(shí)，由此也帶來了新的市場機(jī)會(huì)。例如高性能及低功耗的先進(jìn)傳感器產(chǎn)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(jī)會(huì)。同時(shí)，技術(shù)和方案的服務(wù)同樣重要，尤其對新的醫(yī)療設(shè)備提供商，數(shù)據(jù)的深入分析和反饋到最終用戶，也將成為新的業(yè)務(wù)模式。

　　精確測量固然是重要的指標(biāo)，尤其是對于健康可穿戴類產(chǎn)品。對于精準(zhǔn)測量目標(biāo)的達(dá)成，我們自然要克服諸多挑戰(zhàn)和難題。影響測量精準(zhǔn)性的因素眾多，除了用于設(shè)備芯片的精度以外，數(shù)據(jù)處理的算法、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)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(huì)嚴(yán)重影響最終測量的精確性，同時(shí)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(chǎn)品在芯片設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用中的各類因素，力爭達(dá)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(shù)提出更高的要求。

　　ADI的技術(shù)及產(chǎn)品貫穿健康領(lǐng)域整個(gè)鏈路，其中包括預(yù)防、診斷、治療及管理階段，之前我們更關(guān)注診斷和治療，現(xiàn)在由于移動(dòng)醫(yī)療的興起，對預(yù)防及管理類的，即病前和院外處置的相關(guān)檢測設(shè)備(包括監(jiān)測設(shè)備)越來越被重視，同時(shí)，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(chǎn)品形態(tài)和相應(yīng)的技術(shù)革新。

　　ADI支持多種便攜式醫(yī)療及可穿戴健康領(lǐng)域的高精度、低功耗片上計(jì)量儀ADuCM350已在國內(nèi)外的幾家有代表性的大客戶中取得了一定的進(jìn)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(shí)現(xiàn)多傳感器的有機(jī)融合。另外，ADI的超低功耗3軸數(shù)字MEMS產(chǎn)品ADXL362在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)監(jiān)測設(shè)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(shè)備所使用的傳感器，如運(yùn)動(dòng)檢測、環(huán)境檢測及健康管理等已成為主流應(yīng)用，并不斷發(fā)展完善。據(jù)市場調(diào)查，未來幾年可穿戴設(shè)備仍會(huì)保持較高的市場增長率，相應(yīng)的搭載在穿戴設(shè)備上的傳感器也會(huì)存在很大的發(fā)展空間。羅姆(ROHM)將順應(yīng)這一趨勢，憑借多年來積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從芯片的生產(chǎn)、LSI設(shè)計(jì)到封裝本著高精度、低功耗、小型化等原則致力于傳感器產(chǎn)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(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)及計(jì)算技術(shù)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(shù)。在這個(gè)過程中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的傳感器、數(shù)據(jù)處理的MCU，以及數(shù)據(jù)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(yīng)的產(chǎn)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(yùn)動(dòng)傳感器方面，羅姆利用MEMS壓電技術(shù)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(shè)備上主要用來計(jì)步、運(yùn)動(dòng)量檢測、睡眠質(zhì)量監(jiān)測等，并可結(jié)合陀螺儀、地磁、氣壓來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位和導(dǎo)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(dòng)電子產(chǎn)品當(dāng)中，續(xù)航時(shí)間通常都是用戶比較關(guān)心的一個(gè)問題，所以各個(gè)部分的功耗一直都是開發(fā)人員非常關(guān)心的問題。許多傳感器由于需要頻繁地驅(qū)動(dòng)及工作，會(huì)給主芯片帶來額外的負(fù)荷，ROHM采用傳感器融合技術(shù)，通過采用專門的低功耗傳感器微控制器，將傳感器的驅(qū)動(dòng)工作從主芯片分離出來，單獨(dú)控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣不僅減輕了主芯片的負(fù)荷，還減少了數(shù)據(jù)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(shù)方面，都有完整的解決方案供應(yīng)。

多傳感器并行與實(shí)時(shí)工作傳感器的應(yīng)用

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

　　使用多個(gè)傳感器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的精度或獲取更多細(xì)節(jié)，如3D深度測繪、回聲和噪聲消除，以及流體運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)并行處理，因此，不適用于實(shí)現(xiàn)上述功能。而FPGA則能夠提供更多I/O和獨(dú)立的傳感器接口，更適合上述需要高級并行處理能力的應(yīng)用。對于基于視覺的應(yīng)用，如VR/AR的內(nèi)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(jì)算有需求的話，可以使用具有更強(qiáng)處理能力的ECP5。萊迪思的iCE40移動(dòng)FPGA產(chǎn)品系列經(jīng)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(jù)速率應(yīng)用(如麥克風(fēng)陣列和紅外傳感器陣列橋接以及預(yù)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(shí)現(xiàn)低功耗、實(shí)時(shí)攝像頭連接，以及低延遲的預(yù)處理應(yīng)用。