可穿戴設計的感測器技術_凱利訊

　　針對可穿戴的應用，有各種各樣的感測器被評估，新的設計架構正在湧現，其目的是促進新的應用，減少系統的尺寸和重量，並延長電池壽命。

　　可穿戴設計中的感測器可以從一個簡單的感測器改變，它通過一個被動的無線連線連線到一個集線器裝置，一直通過智慧手錶到一個充滿不同感測和無線技術的便攜包。所有這些都導致不同的感測器架構，這取決於目標應用，這反過來又是驅動模組化開發系統，可以應付可能需要的各種感測器和實現。

　　加速度計和數字羅盤感測器正被用於導航，因為這些可穿戴設計是可移動的，但是這些裝置也越來越多地被用作管理其他感測器的集線器。加速度計，如飛思卡爾的XTrimual MMA9553不僅用於導航，而且還用於手勢控制。這允許新的應用來控制諸如智慧手錶之類的可穿戴系統，而不必使用小鍵盤或語音輸入。相反，該裝置的關鍵動作可以觸發事件以進行感測器測量。

　　飛思卡爾XMID9553加速度計示意圖

　　圖1：飛思卡爾的XMID9M5953加速度計已經被專門設計成可穿戴設計中的其他感測器的集線器。

　　通過將微控制器包括在感測器旁邊，裝置可以管理可穿戴設計中的其他感測器。這降低了硬體設計的複雜性，通過將計算負載遠離中央處理器，並減少了需要使所有感測器直接連線。這又降低了整個系統的功耗，延長了電池壽命。

　　健康監測

　　在可穿戴設計中最直接的應用是用一系列新的醫用感測器來測量身體的效能，這些感測器是專門考慮這種可穿戴設計而開發的。越來越多的公眾對健康生活的興趣推動了活動監視器的出現，許多裝置已經上市。

　　在IMEC比利時和HELST中心開發的身體區域網路(BANS)技術的健康監測裝置能夠實現具有臨床分級功能的精確無創監測。這為更有效和更經濟的醫療保健鋪平了道路。

　　三星正在與IMEC合作，該平臺可以將不同的健康感測器以新的方式結合起來，並將資料開放到雲。SimBand平臺是在埃因霍溫的HOLST研究中心開發的，使用來自其母公司IMEC的技術。這是作為開發人員使用的參考平臺，將新的感測器與現有的可穿戴設計結合起來。

　　三星SimBand影象

　　圖2：三星開發的SimBand使用了一種新的LED感測器技術，來自IMEC，霍爾斯特，用於健康測量。

　　由IMEC開發的光學感測器使用產生光頻率範圍的LED。這些被用來測量皮膚中不同層的血液中的氧，並給出脈搏的讀數。將此與ECG電測量相結合，給出血液到達手腕的時間，提供血壓的估計。SimBand測量14×34毫米，並使用1 GHz雙核ARM A7 28奈米晶片，結合處理器、Wi-Fi和藍芽鏈路。它還使用了一種新的基於雲的開放軟體平臺，稱為三星架構，用於多模式互動(安德烈·薩米)。這從一系列來源收集資料，聚集它並在可穿戴裝置上顯示它。它通過允許感測器安全地將資料儲存在雲中而不考慮源的格式或結構來擴充套件這一點。安德烈·薩米還將允許資料由個體生成，而不是由第三方控制，從而可以更好地保護個人健康資料。

　　IMEC還與多家公司在可穿戴技術方面進行合作。隨著霍爾斯特，它與奧林巴斯合作開發一種新的低功耗單通道心電圖(ECG)採集晶片，可以植入體內。晶片中的模擬特徵提取允許通過智慧手錶中的數字訊號處理器精確監測所選頻帶中的訊號活動。

　　IMEC和奧林巴斯低功率單通道心電感測器影象

　　圖3:一個低功耗單通道ECG感測器已經由IMEC和奧林巴斯開發。

　　新的低功耗ECG採集晶片在所有功能都是啟用的情況下，僅消耗680NA，並提供了競爭效能，如輸入訊雜比大於70dB，共模抑制CMRR>90dB，無需任何外部無源元件。

　　溫度感測也是可穿戴設計中的關鍵元件，Microchip技術中的線性有源熱敏電阻的MCP97 900/97 00和MCP9701/9701A系列包括低成本、低功耗感測器，其精度從±2°C到0°C到+70°C，從McP900A/9701A和±4°C從0°C到+7。0℃的MCP97 00 / 9701，而通常消耗6μA的電流。與電阻感測器(如熱敏電阻)不同，線性有源熱敏電阻IC不需要附加的訊號調理電路。這消除了偏置電路的開銷，因為電壓輸出引腳可以直接連線到微控制器的ADC輸入，從而降低了成本和功耗。

　　對MCP900 /97 00 A和MCP9701/9701A溫度係數進行縮放，以提供一個8位ADC的1°C/bit解析度，其參考電壓為2.5 V和5 V。這為需要外部溫度變化的測量的應用提供了低成本的解決方案。鋁的溫度或佩戴者的溫度。當測量溫度從±25°C的相對變化時，可以達到±1°C的典型精度。

　　這些器件也對寄生電容的影響有免疫力，並且可以驅動大的電容性負載。這提供了PCB佈局的靈活性，因為該裝置可以從微控制器遠端定位，當空間在可穿戴設計中溢價時，有助於能力。在輸出中增加一些電容也有助於減少過沖或欠衝輸出瞬態響應。然而，電容負載不需要感測器輸出穩定性。

　　飛思卡爾在塔式開發系統中整合了一系列感測器，可用於不同技術的可穿戴系統原型。塔式控制器是模組化和可擴充套件的模組，它提供易於使用、可重新配置的硬體，以及可互換的外圍模組，用於通訊、儲存器和圖形LCD，使定製變得容易。開源硬體和標準化規範促進了附加模組的開發，以增加功能和定製。

　　除了塔式系統之外，飛思卡爾還設計了一個開源的、可擴充套件的參考平臺，使OEM成為需要從通用平臺快速開發廣泛的可穿戴產品設計的構建塊。

　　飛思卡爾塔式開發系統的影像

　　圖4：飛思卡爾的塔式開發系統允許多個感測器和控制技術相結合，並易於程式設計，以加速可穿戴系統的設計。

　　與其他可穿戴解決方案不同，新平臺不僅限於一個形狀因子或產品類別。高度靈活、系統級的設計套件支援嵌入式無線充電，將處理器和感測器結合在混合架構中，以實現可擴充套件性和靈活性，並附帶開源軟體。可穿戴參考平臺(WARP)針對多個垂直段，如運動監視器、智慧眼鏡、活動跟蹤器、智慧手錶和醫療/醫療應用。

　　該平臺是以飛思卡爾的I.MX 6SaloReo臂CordX-A9 APP處理器為核心處理單元，支援Android作業系統，整合了生產級的矽、軟硬體。混合架構是優化的低材料清單(BOM)和飛思卡爾的XMID9M53轉鍵計步器，FXOS90000電子羅盤和ARM CORTEX-M0+KYTIES KL16微控制器的特點。

　　MMA9553結合了加速度計MEMS換能器、訊號調理、資料轉換和32位可程式設計微控制器，用於智慧、高精度、運動感測平臺，能夠管理多個感測器輸入。該裝置可以作為其他感測器的中樞，使得系統級的決策需要複雜的應用，如手勢識別、計步器功能、傾斜補償和校準和活動監測。

　　MMA955 XL裝置的程式設計和配置與Code Davor開發工作室的微控制器軟體，版本10.1或更高版本。該標準整合設計環境(IDE)能夠快速實現自定義演算法和特徵以匹配應用程式。MM955 XL裝置採用主I C埠，可以管理壓力感測器、磁強計、陀螺儀等二次感測器。這允許感測器初始化、校準、資料補償和計算功能從系統應用處理器解除安裝。MMA955 XL還充當智慧感測中樞和高度可配置的決策引擎。總的系統功耗被保持在最小值，因為應用處理器斷電直到需要。

　　混合架構允許設計者解決隨著市場的發展而帶來的新的機會，並從硬體和軟體的角度來擴充套件和定製它們的設計，以開發單個產品或具有不同感測器範圍的裝置組合。

　　結論

　　在可穿戴設計中，感測器的使用越來越多，推動了感測器技術和系統架構的創新。使用可程式設計的、可變的LED來提供與雲連線的醫學感測，正在驅動來自三星等全球巨頭的新一代健康監測應用和裝置。

　　使用諸如加速度計之類的關鍵感測器作為其他感測器的中樞，允許系統設計者最小化中央處理器上的負載，減小尺寸和成本並提高電池壽命。以這種方式，仔細考慮感測器架構允許開發新一代可穿戴裝置和應用。