如何设计可穿戴电路确保精准监测

2019年07月12日 作者:Teardown

对开发人员而言,消费者和医疗可穿戴设备设计在小型、低功耗和高功能性方面提出了独特的挑战。在使用集成度更高的传感器(如加速计和陀螺仪)时,开发人员还必须找到合适的传感器和微控制器组合,以确保实现精度、分辨率和功耗之间的最佳平衡,从而延长电池寿命。

本文将介绍如何平衡可穿戴设备的功耗和性能。然后将讨论传感器选择,随后介绍传感器解决方案示例及其应用和供电方式。

平衡功耗与性能

最常见的可穿戴式应用是健身或健康监测,因此所有可穿戴设备都包含测量一些外部参数并将参数馈送给系统微控制器的传感器。鉴于尺寸和成本限制以及对积极用户体验的需要,在设计可穿戴设备时要满足的最重要的设计目标就是延长电池寿命。因此,元器件的选择非常关键;可穿戴设备开发人员花费数月时间为不到十几个元器件做采购决策是常事。

对于嵌入式系统,功耗通常随着性能的提高而增加。这要求开发人员采取平衡措施,选择具有正确性能和功耗组合的元器件。选择具有高度灵活性的元器件允许开发人员在开发周期中进行试验,以找到此类平衡。

微控制器和一些传感器通常具有足够的可编程性,帮助在固件开发期间实现这种平衡。例如,微控制器可进入休眠状态,此时大多数内部电路会关闭,从而使功耗降至涓流。虽然一些传感器通常具有休眠或低功耗模式,但许多也具有可调采样率。这一点很重要,因为传感器功耗会随采样率线性增加,因此固件开发人员可以在监控功耗的同时试验各种采样率。

选择传感器

可穿戴设备最常用的传感器是用于感测系统运动变化的加速计。陀螺仪可感测围绕轴的角度旋转,因而它可用于感测该运动的方向。以下是选择典型加速计和陀螺仪时需要考虑的关键因素:

尺寸和形状:鉴于尺寸和重量的限制,选择传感器时首先要考虑的就是尺寸和形状。无论规格多么惊艳,如果在机箱内部不适合,那就不可行,任何不必要的重量都会影响用户体验。

功耗:许多小型传感器专为电池供电的小型应用而设计,功耗在这些应用中至关重要。应寻找 5 mm x 5 mm 或更小的传感器。

精度和分辨率:了解应用的精度和分辨率要求,然后选择能够轻松满足这些要求的传感器。这可以简化开发和节省时间。此外,还可以使设备容纳可能需要的固件更新,以便在出现问题或需求发生变化时提高精度。对于大多数可穿戴设备而言,12 位或更高分辨率很常见。

微控制器接口:了解传感器如何与微控制器连接。存在模拟和数字两种类型的接口。模拟接口输出与被感测环境行为的值成比例的电压。模拟接口在可穿戴式应用中的使用有限,因为它们需要微控制器来使用高耗电的模数转换器 (ADC) 或比较器。串行数字接口才是首选,例如 I2C 或 SPI。许多现代传感器提供两种接口。

如要根据上述标准,从所有可用供应商处找到正确的传感器,可能非常耗时。但是,Digi-Key Electronics 等授权分销商通过为传感器选择提供在线资源,简化了这一过程。例如,Digi-Key 的加速计在线选择页面极大地简化了依照标准选择传感器的过程,将原来需要一个下午的采购变为几分钟就能完成的工作。

一些供应商,如 Bosch Sensortec,拥有专门针对可穿戴设备的整个产品线。这些产品线具有功耗低、尺寸小和模式灵活的特性,可实现精度与功率的平衡。

例如,Bosch Sensortec BMA423 是一款 3 轴、12 位加速计,采用 12 引脚 LGA 封装,尺寸为 2 mm x 2 mm(图 1)。它可以配置为支持 SPI 或 I2C 接口,可编程加速度范围为 ±2 g、±4 g、±8 g 和 ±16 g。

BMA423 可谓是“智能传感器”,因为它采用内部加速计的原始数据并在内部处理数据,从而为开发人员提供有用的结果。这可为微控制器减掉一些负载并加快开发速度。当在可穿戴健身应用中使用时,它可以检测用户是静止不动、跑步还是走路。

BMA423 设计用于最大限度地减少外部元器件数量,如图 2 所示。为了提高抗噪性,建议在 VDDIO 和接地之间以及 VDD 和接地之间使用 100 纳法 (nF) 去耦电容器。省去这些电容器可以节省宝贵的空间,但可能会损失精度。

Bosch Sensortec 为其所有传感器提供固件。在给 BMA423 上电时,它会经历一个内部上电复位 (POR) 序列。在系统 POR 之后,微控制器应运行 Bosch 的 BMA423 初始化程序,以正确配置芯片。

初始化程序首先读取内部芯片 ID,并把该 ID 与存储在固件中的芯片 ID 进行比较。这将验证 BMA423 是否可用并与微控制器正确通信。接下来,初始化程序运行短自检以验证能否正常运行,自检结果被发送回微控制器。设备初始化后,会处于性能模式,这是传感器的最高功率和最高性能状态。

BMA423 具有许多用于低功耗运行的特性,包括 1024 字节宽的 FIFO。这让加速计能够在微控制器处于低功耗或休眠模式时检测和存储数据。由于不需要微控制器不断地与 BMA423 通信,这在非实时应用中节省了功耗。一旦 FIFO 中的加速计数据达到预编程的 FIFO 级别,就会产生中断以唤醒微控制器,然后微控制器转而执行驱动子程序以读取 FIFO 数据。

BMA423 的最低功耗模式是挂起模式。在挂起模式期间,不执行内部加速计测量,同时保持 FIFO 和内部寄存器的状态。

为了降低非实时应用中的运行功耗,应将 BMA423 置于低功耗模式而不是默认的性能模式。这会关闭 BMA423 的各个部分,包括外部 I2C 和 SPI 接口,同时将数据记录到 FIFO 中。在低功耗模式下,BMA423 会根据固件编程占空比设定的采样率在性能模式和休眠模式之间定期切换。采样率越低,BMA423 的功耗越低。调整此占空比可针对传感器功耗调整所需的精度。

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