穿戴式裝置中的模擬器件、MEMS和傳感器

穿戴式電子裝置因小巧、輕便，用戶可隨身穿戴而得名。從產品類別上看，穿戴式裝置包括智能手表、電腦手機的配件、健身跟蹤器、人身安全裝置或專門的醫療裝置。從功能上看，穿戴式裝置可以是獨立的電子產品，也可以是平板電腦或智能手機的外設配件，具有一定計算能力，能夠充當主設備的輸入輸出設備。

從歷史角度看，雖然手表和穿戴式計算器曾一度火熱，但是，直到低功耗藍牙通信、低功耗制造技術和傳感器問世，穿戴式裝置才變得種類繁多，層出不究，智能手表、手環、珠寶、臂環、聯網服飾等等都是穿戴式裝置。

穿戴式裝置特點

顧名思義，穿戴式裝置是人們長期隨身配戴的電子產品，其特點是長時間開機聯網。

a)始終開機

穿戴式裝置必須連續工作，監視或輸出對用戶至關重要的數據。穿戴式裝置可以有睡眠模式，但是決不能斷電關機。

b)低功耗

穿戴式裝置的尺寸都比較小，所用電源都是小尺寸電池，所以穿戴式裝置的工作電流應非常低。如果需要經常充電，穿戴式裝置則失去本身的意義。低功耗技術的問世促成了這項產業革命。

c)尺寸緊湊

穿戴式裝置是穿戴在用戶身上的，所以產品尺寸必須小巧，外觀實用美觀。笨拙的穿戴式裝置對于用戶來說是額外的負擔，不會被市場的接受。

d)環境感測

環境感測是穿戴式裝置贏得市場認可的重要原因，今天，穿戴式裝置不僅能監測用戶活動信息，還能監測溫度、濕度、紫外光等環境參數。

e)智能功能

穿戴式裝置的智能化應足以濾除真實數據中的噪聲，當重要信息需要傳輸時，能夠向用戶發出通知。例如，當用戶巧遇意外或需要急救時，智能手環應能夠向急救中心發出通知。

f)聯網功能

聯網功能是穿戴式裝置問世并贏得市場認可的重要因素。穿戴式裝置應通過藍牙、WiFi等無線通信技術連接平板電腦或智能手機。此外，穿戴式裝置還能連接GPS衛星，監視用戶所在方位。

穿戴式裝置架構

典型的穿戴式裝置架構包括下列單元：

a)傳感器 – 數字傳感器和模擬傳感器

b)模擬前端

c)音頻

d)電源管理

e)通信接口

f)微控制器

g)LCD接口

本文將討論前五個穿戴式裝置單元。

圖1 穿戴式裝置架構

傳感器

傳感器是創新的穿戴式裝置問世的主要推動力之一，下面是當前市場最熱的幾種傳感器。

a)加速度計

加速度計又稱重力傳感器，用于檢測線性加速度、振動、傾斜度、自由落體等物體運動。加速度傳感器用于實現水平調整、防盜、振動通知、計步、成人及孩子遠程監控等功能。

b)陀螺儀

陀螺儀可測量角速率，用于實現電子游戲、3D鼠標、體育訓練等功能。

c)羅盤

羅盤可測量地環磁場方向，為設備提供指標方向功能。羅盤廣泛用于室內導航和手機地圖導航。

圖2 微型高性能電子羅盤： 3D 加速度計和 3D磁強計模塊

d)氣壓傳感器

氣壓傳感器可測量地球大氣壓，用于設計氣壓計和測高度計。意法半導體的LPS25H氣壓傳感器測量精度特別高，足以精確辨別傳感器所在位置是大樓的第幾層，可用于實現室內導航、增強實境和3D GPS 。

圖3 MEMS氣壓傳感器: 2.5 X 2.5 mm 高精度氣壓計

e)溫度和濕度傳感器

溫度和濕度傳感器可測量溫度和濕度，控制穿戴式裝置的性能。

模擬前端

a)運算放大器

模擬傳感器向微控制器傳送信息需要使用信號轉換器，信號轉換器應具有下列重要特性：

I.精確且穩定，盡可能提高信息準確性

II.低功耗，使用時間更長

III.尺寸緊湊，可集成到纖薄的時尚設計內

運算放大器必須滿足低輸入失調電壓和零漂移率兩個要求，否則，電極信息的準確性沒有保證。雖然信號功率恢復如初，但是在信號送入微控制器器之前，需要一個高精度微功耗放大器。

b)開關

開關采用多路復用或多路分配的方法傳輸各種信號。智能裝置內的傳感器數量越來越多，開關為輸入輸出信號分配路由，還能選擇將音頻信號分配到喇叭還是耳機。意法半導體模擬開關的目標應用覆蓋從音頻到USB的所有信號拓撲，能夠滿足大多數應用需求。

音頻

a)MEMS麥克風

b)MEMS麥克風將聲信號轉化為電信號的聲學傳感器，因為信噪比更高，外觀尺寸更小，提供數字接口，抗射頻性能更高，防振能力更強，MEMS麥克風比傳統麥克風更受市場青睞。

麥克風使人機互動變得更加容易快捷，操作變得更加流暢。在外觀設計上，麥克風的使用可以減少按鈕數量，幫助設計人員開發出時尚美觀的產品。

圖5 模擬 MEMS麥克風: 下置聲孔，高帶寬，多指向，高信噪比

雙工作模式是下一代麥克風的發展趨勢。

● 監聽/低功耗模式: 在保證麥克風偵測語音命令所需的基本性能條件下，將麥克風功耗降至最低水平。

● 正常工作模式：聲學參數設置為語音控制應用所需的最佳參數。

圖6 借助模擬開關，微控制器可將麥克風設為監聽或正常模式。

c)音頻放大器

重現音樂、話音或有聲通知需要喇叭，而驅動喇叭則需要音頻放大器。穿戴式裝置要求音頻放大器具有很高的能效，能夠向小型低功耗設備輸出高品質音頻。

電源管理

a)電池電量監視

穿戴式裝置的電源通常是一個小電池，大多數情況下必須使用小電池。精確的電池監視功能可監視電池電量，增加電源智能管理功能。例如，當電量低時，及時通知用戶充電或自動關閉耗電模塊。意法半導體的STC3115電源管理整體解決方案同時集成電壓電流對時間變化監測功能，因此提供最準確的電池電量監測功能。

b)智能復位

隨著穿戴式裝置的智能化超來越高，為管理所有的傳感器信息，軟件復雜性呈指數增長。隨著功能數量增加，終端用戶誤操作的概率也相應擴大，系統崩潰時有發生，為維護產品質量和品牌名氣，需要跳隊列，重新啟動應用。

圖8 STM6519 IC讓一個按鈕實現兩個功能。

c)實時時鐘[RTC]

在穿戴式裝置中，實時時鐘不僅用于計時，還讓系統按時進入低功耗省電模式。電池供電的微型裝置需要低功耗的微型封裝的實時時鐘。意法半導體的M41T62 RTC是一個微型封裝的內置晶體的350nA實時時鐘。

穿戴式裝置的主要目標應用

健身養生

智能手表、運動監測器、計步器等智能穿戴式裝置讓用戶能夠在智能手機上監視自己的健身活動。穿戴式裝置還可以充當運動監測器、智能腳墊、睡眠傳感器和心率監測器，優化體育成績，監視健身目標，控制體重，分享方位數據。

醫療保健

心率監視器、血糖監視器、脈搏血氧儀等醫療裝置現在可以通過BLE連到智能手機，甚至還可以通過智能手機連接到互聯網，將測量信息保存到云端與醫生和親朋好友分享。BLE技術還準許將這些電子裝置放在關鍵位置，例如，鞋內或腕帶內。BLE支持很多醫療保健設備，例如，血糖計、心率監視器、溫度計和血壓表。

接近偵測和防盜配件

當配戴BLE配件的寵物或兒童走出視線外，BLE穿戴式裝置會向智能手機發出提醒通知。內置BLE的汽車鑰匙如果不見了，可以借助相連的智能手機輕松找到鑰匙。當錢包或行李包內置BLE配件時，如果有人想偷錢包或行李，智能手機就會提示用戶注意。

安全跟蹤

智能手表或安全跟蹤器等穿戴式裝置讓家長能夠連續不斷地跟蹤孩子的位置，還能在孩子和女士用戶遭遇危險時自動發送緊急求助信號。工作原理是穿戴式裝置先向所連的智能手機發送急救信號，然后智能手機通過短信向相關救援機構和親屬發送用戶所在位置。

結論

穿戴式裝置像互聯網一樣有改進變世界的潛力。智能傳感器和低功能藍牙使穿戴式裝置具有感應能力和通信功能，從而做出復雜的決策。穿戴式裝置將會開創全新的用例，完成智能手機無法勝任的任務。醫療和健身有望成為穿戴式技術最大的應用類別，意法半導體提供一站式采購服務，滿足穿戴式廠商所有的半導體需求，并提供驅動程序和軟件庫支持，為穿戴式技術開發人員和廠商加快研發周期。