穿戴式装置中的模拟器件、MEMS和传感器

穿戴式电子装置因小巧、轻便，用户可随身穿戴而得名。从产品类别上看，穿戴式装置包括智能手表、电脑手机的配件、健身跟踪器、人身安全装置或专门的医疗装置。从功能上看，穿戴式装置可以是独立的电子产品，也可以是平板电脑或智能手机的外设配件，具有一定计算能力，能够充当主设备的输入输出设备。

从历史角度看，虽然手表和穿戴式计算器曾一度火热，但是，直到低功耗蓝牙通信、低功耗制造技术和传感器问世，穿戴式装置才变得种类繁多，层出不究，智能手表、手环、珠宝、臂环、联网服饰等等都是穿戴式装置。

穿戴式装置特点

顾名思义，穿戴式装置是人们长期随身配戴的电子产品，其特点是长时间开机联网。

a)始终开机

穿戴式装置必须连续工作，监视或输出对用户至关重要的数据。穿戴式装置可以有睡眠模式，但是决不能断电关机。

b)低功耗

穿戴式装置的尺寸都比较小，所用电源都是小尺寸电池，所以穿戴式装置的工作电流应非常低。如果需要经常充电，穿戴式装置则失去本身的意义。低功耗技术的问世促成了这项产业革命。

c)尺寸紧凑

穿戴式装置是穿戴在用户身上的，所以产品尺寸必须小巧，外观实用美观。笨拙的穿戴式装置对于用户来说是额外的负担，不会被市场的接受。

d)环境感测

环境感测是穿戴式装置赢得市场认可的重要原因，今天，穿戴式装置不仅能监测用户活动信息，还能监测温度、湿度、紫外光等环境参数。

e)智能功能

穿戴式装置的智能化应足以滤除真实数据中的噪声，当重要信息需要传输时，能够向用户发出通知。例如，当用户巧遇意外或需要急救时，智能手环应能够向急救中心发出通知。

f)联网功能

联网功能是穿戴式装置问世并赢得市场认可的重要因素。穿戴式装置应通过蓝牙、WiFi等无线通信技术连接平板电脑或智能手机。此外，穿戴式装置还能连接GPS卫星，监视用户所在方位。

穿戴式装置架构

典型的穿戴式装置架构包括下列单元：

a)传感器 – 数字传感器和模拟传感器

b)模拟前端

c)音频

d)电源管理

e)通信接口

f)微控制器

g)LCD接口

本文将讨论前五个穿戴式装置单元。

图1 穿戴式装置架构

传感器

传感器是创新的穿戴式装置问世的主要推动力之一，下面是当前市场最热的几种传感器。

a)加速度计

加速度计又称重力传感器，用于检测线性加速度、振动、倾斜度、自由落体等物体运动。加速度传感器用于实现水平调整、防盗、振动通知、计步、成人及孩子远程监控等功能。

b)陀螺仪

陀螺仪可测量角速率，用于实现电子游戏、3D鼠标、体育训练等功能。

c)罗盘

罗盘可测量地环磁场方向，为设备提供指标方向功能。罗盘广泛用于室内导航和手机地图导航。

图2 微型高性能电子罗盘： 3D 加速度计和 3D磁强计模块

d)气压传感器

气压传感器可测量地球大气压，用于设计气压计和测高度计。意法半导体的LPS25H气压传感器测量精度特别高，足以精确辨别传感器所在位置是大楼的第几层，可用于实现室内导航、增强实境和3D GPS 。

图3 MEMS气压传感器: 2.5 X 2.5 mm 高精度气压计

e)温度和湿度传感器

温度和湿度传感器可测量温度和湿度，控制穿戴式装置的性能。

模拟前端

a)运算放大器

模拟传感器向微控制器传送信息需要使用信号转换器，信号转换器应具有下列重要特性：

I.精确且稳定，尽可能提高信息准确性

II.低功耗，使用时间更长

III.尺寸紧凑，可集成到纤薄的时尚设计内

运算放大器必须满足低输入失调电压和零漂移率两个要求，否则，电极信息的准确性没有保证。虽然信号功率恢复如初，但是在信号送入微控制器器之前，需要一个高精度微功耗放大器。

b)开关

开关采用多路复用或多路分配的方法传输各种信号。智能装置内的传感器数量越来越多，开关为输入输出信号分配路由，还能选择将音频信号分配到喇叭还是耳机。意法半导体模拟开关的目标应用覆盖从音频到USB的所有信号拓扑，能够满足大多数应用需求。

音频

a)MEMS麦克风

b)MEMS麦克风将声信号转化为电信号的声学传感器，因为信噪比更高，外观尺寸更小，提供数字接口，抗射频性能更高，防振能力更强，MEMS麦克风比传统麦克风更受市场青睐。

麦克风使人机互动变得更加容易快捷，操作变得更加流畅。在外观设计上，麦克风的使用可以减少按钮数量，帮助设计人员开发出时尚美观的产品。

图5 模拟 MEMS麦克风: 下置声孔，高带宽，多指向，高信噪比

双工作模式是下一代麦克风的发展趋势。

● 监听/低功耗模式: 在保证麦克风侦测语音命令所需的基本性能条件下，将麦克风功耗降至最低水平。

● 正常工作模式：声学参数设置为语音控制应用所需的最佳参数。

图6 借助模拟开关，微控制器可将麦克风设