可穿戴设备中的传感器应用需求及趋势

作者/ 迎九 金旺 《电子产品世界》编辑

摘要：本文就当下发展火热的可穿戴设备，邀请业内专业人士对其中的传感器的技术发展和应用趋势进行了解答。

可穿戴设备对传感器提出更高要求

　　便携式、可移动式、可穿戴式及远程化的应用对设备端的传感器的信号采集及多芯片融合提出了更高的要求，尤其是在性能、功耗、体积及方案的完整性方面都与传统的稍大型设备有很大不同，其整体要求更苛刻。同时，由此也带来了新的市场机会。例如高性能及低功耗的先进传感器产品备受市场青睐，模拟混合信号处理、无线传输等方面都在催生新的，而且庞大的市场机会。同时，技术和方案的服务同样重要，尤其对新的医疗设备提供商，数据的深入分析和反馈到最终用户，也将成为新的业务模式。

　　精确测量固然是重要的指标，尤其是对于健康可穿戴类产品。对于精准测量目标的达成，我们自然要克服诸多挑战和难题。影响测量精准性的因素众多，除了用于设备芯片的精度以外，数据处理的算法、产品的结构、生产环节误差的控制，以及用户的使用方法和环境等都会严重影响最终测量的精确性，同时也要考虑多传感器间的协同工作和彼此避免干扰等。例如，ADI的产品在芯片设计之初就考虑到以上诸多因素，最大限度地帮助用户和使用者避免以上设计、生产及使用中的各类因素，力争达到测量精度要求。除此以外， 多传感器的融合也对芯片工艺和封装技术提出更高的要求。

　　ADI的技术及产品贯穿健康领域整个链路，其中包括预防、诊断、治疗及管理阶段，之前我们更关注诊断和治疗，现在由于移动医疗的兴起，对预防及管理类的，即病前和院外处置的相关检测设备(包括监测设备)越来越被重视，同时，还有慢性病管理方面需要的日常增多，在监测手段和方法上面都有可能催生新的产品形态和相应的技术革新。

　　ADI支持多种便携式医疗及可穿戴健康领域的高精度、低功耗片上计量仪ADuCM350已在国内外的几家有代表性的大客户中取得了一定的进展。此芯片可以融合接入包括光电、心电、生理阻抗测量及其他多种模拟和数字输出的各类传感器，真正实现多传感器的有机融合。另外，ADI的超低功耗3轴数字MEMS产品ADXL362在运动检测唤醒模式下，功耗仅为300 nA，其超低功耗的特征是可穿戴运动监测设备的理想解决方案。

多传感器融合已成趋势

　　目前，市场上以手表/手环为代表的穿戴设备所使用的传感器，如运动检测、环境检测及健康管理等已成为主流应用，并不断发展完善。据市场调查，未来几年可穿戴设备仍会保持较高的市场增长率，相应的搭载在穿戴设备上的传感器也会存在很大的发展空间。罗姆(ROHM)将顺应这一趋势，凭借多年来积累的技术经验，从芯片的生产、LSI设计到封装本着高精度、低功耗、小型化等原则致力于传感器产品的研发，并提供使人们生活更加便利、舒适、安全的整体传感器解决方案。

　　随着传感技术、数据处理技术及计算技术的快速发展，多种传感器融合已发展成一门信息综合处理的专门技术。在这个过程中，负责数据采集的传感器、数据处理的MCU，以及数据传输的无线通信都是必不可少的。针对这三块，罗姆都有相应的产品及解决方案，可最大程度提供与客户需求匹配度最高的解决方案。

　　在运动传感器方面，罗姆利用MEMS压电技术的十轴传感器组合：加速度+陀螺仪+地磁+气压传感器。加速度用在穿戴设备上主要用来计步、运动量检测、睡眠质量监测等，并可结合陀螺仪、地磁、气压来实现室内定位和导航。罗姆已开发出整合以上四种传感器的评估demo，供客户前期评估使用。

　　在移动电子产品当中，续航时间通常都是用户比较关心的一个问题，所以各个部分的功耗一直都是开发人员非常关心的问题。许多传感器由于需要频繁地驱动及工作，会给主芯片带来额外的负荷，ROHM采用传感器融合技术，通过采用专门的低功耗传感器微控制器，将传感器的驱动工作从主芯片分离出来，单独控制并进行数据处理，这样不仅减轻了主芯片的负荷，还减少了数据传输量，更重要的是可以有效降低功耗。

　　另外，罗姆在环境传感器、医疗保健(脉搏传感器BH1790)及无线技术方面，都有完整的解决方案供应。

多传感器并行与实时工作传感器的应用

　　与传感器相关的可穿戴应用有两种不同但互相依附且不断发展的趋势：1)多个传感器的并行连接及数据捕获(如麦克风阵列、多摄像头应用和多IMU应用)，这是传感器聚合应用的高级形式;2)环境感知应用对于实时工作传感器处理的需求不断增长。

　　使用多个传感器，系统可以实现更高的精度或获取更多细节，如3D深度测绘、回声和噪声消除，以及流体运动跟踪等。然而，由于大多数MCU和处理器I/O数量有限，并且无法捕获和实现实时并行处理，因此，不适用于实现上述功能。而FPGA则能够提供更多I/O和独立的传感器接口，更适合上述需要高级并行处理能力的应用。对于基于视觉的应用，如VR/AR的内向外跟踪或虹膜跟踪，莱迪思的MachXO3和CrossLink可编程ASSP(pASSP)可用于执行多摄像头聚合;如果对于深度测绘等自主计算有需求的话，可以使用具有更强处理能力的ECP5。莱迪思的iCE40移动FPGA产品系列经过优化，可提供低功耗、低成本和小尺寸的特性，是低功耗和低数据速率应用(如麦克风阵列和红外传感器阵列桥接以及预处理)的理想选择。莱迪思最近推出的iCE40 UltraPlus增加了I3C支持，可实现低功耗、实时摄像头连接，以及低延迟的预处理应用。