對(duì)開發(fā)人員而言，消費(fèi)者和醫(yī)療可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)在小型、低功耗和高功能性方面提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在使用集成度更高的傳感器（如加速計(jì)和陀螺儀）時(shí)，開發(fā)人員還必須找到合適的傳感器和微控制器組合，以確保實(shí)現(xiàn)精度、分辨率和功耗之間的最佳平衡，從而延長(zhǎng)電池壽命。

本文將介紹如何平衡可穿戴設(shè)備的功耗和性能。然后將討論傳感器選擇，隨后介紹傳感器解決方案示例及其應(yīng)用和供電方式。

平衡功耗與性能

最常見的可穿戴式應(yīng)用是健身或健康監(jiān)測(cè)，因此所有可穿戴設(shè)備都包含測(cè)量一些外部參數(shù)并將參數(shù)饋送給系統(tǒng)微控制器的傳感器。鑒于尺寸和成本限制以及對(duì)積極用戶體驗(yàn)的需要，在設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備時(shí)要滿足的最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是延長(zhǎng)電池壽命。因此，元器件的選擇非常關(guān)鍵；可穿戴設(shè)備開發(fā)人員花費(fèi)數(shù)月時(shí)間為不到十幾個(gè)元器件做采購(gòu)決策是常事。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，功耗通常隨著性能的提高而增加。這要求開發(fā)人員采取平衡措施，選擇具有正確性能和功耗組合的元器件。選擇具有高度靈活性的元器件允許開發(fā)人員在開發(fā)周期中進(jìn)行試驗(yàn)，以找到此類平衡。

微控制器和一些傳感器通常具有足夠的可編程性，幫助在固件開發(fā)期間實(shí)現(xiàn)這種平衡。例如，微控制器可進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)大多數(shù)內(nèi)部電路會(huì)關(guān)閉，從而使功耗降至涓流。雖然一些傳感器通常具有休眠或低功耗模式，但許多也具有可調(diào)采樣率。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閭鞲衅鞴臅?huì)隨采樣率線性增加，因此固件開發(fā)人員可以在監(jiān)控功耗的同時(shí)試驗(yàn)各種采樣率。

選擇傳感器

可穿戴設(shè)備最常用的傳感器是用于感測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化的加速計(jì)。陀螺儀可感測(cè)圍繞軸的角度旋轉(zhuǎn)，因而它可用于感測(cè)該運(yùn)動(dòng)的方向。以下是選擇典型加速計(jì)和陀螺儀時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素：

尺寸和形狀：鑒于尺寸和重量的限制，選擇傳感器時(shí)首先要考慮的就是尺寸和形狀。無(wú)論規(guī)格多么驚艷，如果在機(jī)箱內(nèi)部不適合，那就不可行，任何不必要的重量都會(huì)影響用戶體驗(yàn)。

功耗：許多小型傳感器專為電池供電的小型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，功耗在這些應(yīng)用中至關(guān)重要。應(yīng)尋找 5 mm x 5 mm 或更小的傳感器。

精度和分辨率：了解應(yīng)用的精度和分辨率要求，然后選擇能夠輕松滿足這些要求的傳感器。這可以簡(jiǎn)化開發(fā)和節(jié)省時(shí)間。此外，還可以使設(shè)備容納可能需要的固件更新，以便在出現(xiàn)問題或需求發(fā)生變化時(shí)提高精度。對(duì)于大多數(shù)可穿戴設(shè)備而言，12 位或更高分辨率很常見。

微控制器接口：了解傳感器如何與微控制器連接。存在模擬和數(shù)字兩種類型的接口。模擬接口輸出與被感測(cè)環(huán)境行為的值成比例的電壓。模擬接口在可穿戴式應(yīng)用中的使用有限，因?yàn)樗鼈冃枰⒖刂破鱽?lái)使用高耗電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或比較器。串行數(shù)字接口才是首選，例如 I2C 或 SPI。許多現(xiàn)代傳感器提供兩種接口。

如要根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，從所有可用供應(yīng)商處找到正確的傳感器，可能非常耗時(shí)。但是，Digi-Key Electronics 等授權(quán)分銷商通過為傳感器選擇提供在線資源，簡(jiǎn)化了這一過程。例如，Digi-Key 的加速計(jì)在線選擇頁(yè)面極大地簡(jiǎn)化了依照標(biāo)準(zhǔn)選擇傳感器的過程，將原來(lái)需要一個(gè)下午的采購(gòu)變?yōu)閹追昼娋湍芡瓿傻墓ぷ鳌?/p>

一些供應(yīng)商，如 Bosch Sensortec，擁有專門針對(duì)可穿戴設(shè)備的整個(gè)產(chǎn)品線。這些產(chǎn)品線具有功耗低、尺寸小和模式靈活的特性，可實(shí)現(xiàn)精度與功率的平衡。

例如，Bosch Sensortec BMA423 是一款 3 軸、12 位加速計(jì)，采用 12 引腳 LGA 封裝，尺寸為 2 mm x 2 mm（圖 1）。它可以配置為支持 SPI 或 I2C 接口，可編程加速度范圍為 ±2 g、±4 g、±8 g 和 ±16 g。

BMA423 可謂是“智能傳感器”，因?yàn)樗捎脙?nèi)部加速計(jì)的原始數(shù)據(jù)并在內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，從而為開發(fā)人員提供有用的結(jié)果。這可為微控制器減掉一些負(fù)載并加快開發(fā)速度。當(dāng)在可穿戴健身應(yīng)用中使用時(shí)，它可以檢測(cè)用戶是靜止不動(dòng)、跑步還是走路。

圖 1：Bosch Sensortec BMA423 是一款適用于可穿戴設(shè)備的小型 3 軸 12 位加速計(jì)，基底面 2 mm x 2 mm，高度 0.95 mm。（圖片來(lái)源：Bosch Sensortec）

BMA423 設(shè)計(jì)用于最大限度地減少外部元器件數(shù)量，如圖 2 所示。為了提高抗噪性，建議在 VDDIO 和接地之間以及 VDD 和接地之間使用 100 納法 (nF) 去耦電容器。省去這些電容器可以節(jié)省寶貴的空間，但可能會(huì)損失精度。

圖 2：Bosch BMA423 3 軸加速計(jì)設(shè)計(jì)用于最大程度地減少部件數(shù)量，并在使用 I2C 接口時(shí)簡(jiǎn)化電路板布局。（圖片來(lái)源：Bosch Sensortec）

Bosch Sensortec 為其所有傳感器提供固件。在給 BMA423 上電時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷一個(gè)內(nèi)部上電復(fù)位 (POR) 序列。在系統(tǒng) POR 之后，微控制器應(yīng)運(yùn)行 Bosch 的 BMA423 初始化程序，以正確配置芯片。

初始化程序首先讀取內(nèi)部芯片 ID，并把該 ID 與存儲(chǔ)在固件中的芯片 ID 進(jìn)行比較。這將驗(yàn)證 BMA423 是否可用并與微控制器正確通信。接下來(lái)，初始化程序運(yùn)行短自檢以驗(yàn)證能否正常運(yùn)行，自檢結(jié)果被發(fā)送回微控制器。設(shè)備初始化后，會(huì)處于性能模式，這是傳感器的最高功率和最高性能狀態(tài)。

BMA423 具有許多用于低功耗運(yùn)行的特性，包括 1024 字節(jié)寬的 FIFO。這讓加速計(jì)能夠在微控制器處于低功耗或休眠模式時(shí)檢測(cè)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于不需要微控制器不斷地與 BMA423 通信，這在非實(shí)時(shí)應(yīng)用中節(jié)省了功耗。一旦 FIFO 中的加速計(jì)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)編程的 FIFO 級(jí)別，就會(huì)產(chǎn)生中斷以喚醒微控制器，然后微控制器轉(zhuǎn)而執(zhí)行驅(qū)動(dòng)子程序以讀取 FIFO 數(shù)據(jù)。

BMA423 的最低功耗模式是掛起模式。在掛起模式期間，不執(zhí)行內(nèi)部加速計(jì)測(cè)量，同時(shí)保持 FIFO 和內(nèi)部寄存器的狀態(tài)。

為了降低非實(shí)時(shí)應(yīng)用中的運(yùn)行功耗，應(yīng)將 BMA423 置于低功耗模式而不是默認(rèn)的性能模式。這會(huì)關(guān)閉 BMA423 的各個(gè)部分，包括外部 I2C 和 SPI 接口，同時(shí)將數(shù)據(jù)記錄到 FIFO 中。在低功耗模式下，BMA423 會(huì)根據(jù)固件編程占空比設(shè)定的采樣率在性能模式和休眠模式之間定期切換。采樣率越低，BMA423 的功耗越低。調(diào)整此占空比可針對(duì)傳感器功耗調(diào)整所需的精度。

在健身可穿戴式應(yīng)用中使用 BMA423 時(shí)，使用中斷特性引擎可以簡(jiǎn)化開發(fā)。它就像一個(gè)計(jì)步器，可以自動(dòng)檢測(cè)步數(shù)，并檢測(cè)用戶是走路、跑步還是靜止不動(dòng)。它還可以檢測(cè)用戶是否傾斜可穿戴設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備上的雙擊或單擊震動(dòng)，或檢測(cè)設(shè)備是否在移動(dòng)。使用特性引擎而不是編寫自定義代碼可簡(jiǎn)化開發(fā)。

對(duì)于精度要求極高、更復(fù)雜的可穿戴應(yīng)用，可以使用慣性測(cè)量裝置 (IMU) 傳感器。IMU 在一個(gè)封裝中集成了加速計(jì)和陀螺儀。Bosch Sensortec BMI160 IMU 在一個(gè)封裝中集成了一個(gè) 3 軸 16 位微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 加速計(jì)和一個(gè) 3 軸 16 位 MEMS 陀螺儀。IMU 加速計(jì)執(zhí)行 BMA423 的所有功能，而陀螺儀使設(shè)備可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向。這讓 BMI160 能夠確定相對(duì)位置、距離和速度，但功耗低于 GPS。但是，它通常用于在更先進(jìn)的可穿戴設(shè)備中增強(qiáng) GPS。在此類應(yīng)用中，GPS 提供絕對(duì)定位和位置信息，但是如果 GPS 信號(hào)消失，IMU 可以跟蹤運(yùn)動(dòng)和加速度，直到重新獲取 GPS 信號(hào)。

BMI160 的封裝類似于 BMA423，但基底面為 2.5 mm x 3.0 mm，高度為 0.83 mm。與 BMA423 一樣，它也支持 I2C 和 SPI 接口，并具有一個(gè) 1024 字節(jié) FIFO。

使用 IMU 進(jìn)行航位推算

加速計(jì)無(wú)法感應(yīng)恒定速度，只能感知速度的變化。但是，可以通過獲取加速度數(shù)據(jù)隨時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算速度。為了獲得可接受的精度，需要具有 16 位或更高分辨率的加速計(jì)。采樣率越高，速度估計(jì)越準(zhǔn)確，然后可以用來(lái)計(jì)算行程距離。過去，使用消費(fèi)級(jí) IMU 估算速度和距離，經(jīng)常會(huì)引入隨時(shí)間累積的小誤差。但是，MEMS 傳感器在現(xiàn)代取得了進(jìn)步，使用消費(fèi)級(jí) IMU 進(jìn)行航位推算變得更加實(shí)用。

與 BMA423 一樣，BMI160 加速計(jì)也可以檢測(cè)用戶是走路、跑步還是靜止不動(dòng)。通過結(jié)合根據(jù)加速計(jì)讀數(shù)計(jì)算的行程距離和根據(jù)陀螺儀讀數(shù)計(jì)算的移動(dòng)方向，傳感器融合計(jì)算可以確定裝置的位置。

為了加快開發(fā)速度，可下載適用于 ARM? 微控制器的 Bosch Sensortec 環(huán)境集群 (BSEC) 融合庫(kù)。這是一個(gè)與 NXP Semiconductors 的 LPCXpresso? LPC54102 傳感器處理/運(yùn)動(dòng)評(píng)估板兼容的完整傳感器融合套件。該電路板提供評(píng)估多種 Bosch Sensortec MEMS 傳感器的選項(xiàng)，最新包括了 BMI160。

圖 3：NXP LPC54102 傳感器處理/運(yùn)動(dòng)評(píng)估板可用于評(píng)估許多 Bosch Sensortec MEMS 傳感器，包括 BMI160。（圖片來(lái)源：Bosch Sensortec）

NXP LPC54102 附帶 BSEC 融合庫(kù)。該評(píng)估板可通過 USB 連接器或外部電源供電。要完成開發(fā)，首先要在 PC 上安裝附帶的 LPCXpresso 軟件。通過啟動(dòng) LPCXpresso 軟件并按照簡(jiǎn)單的屏幕說(shuō)明操作，完成 LPC5102 的連接。連接后，就可以下載并安裝 BMI160 演示程序。

可穿戴設(shè)備和電池

隨著可穿戴設(shè)備變得更小和功能更強(qiáng)大，電池供應(yīng)商面臨著生產(chǎn)更小和更高容量電池的挑戰(zhàn)。TinyCircuits 制造兩種適用于可穿戴設(shè)備的小型電池。TinyCircuits ASR00011 是一款額定容量為 70 mAh 的 3.7 伏鋰離子電池。它具有 4.2 伏的滿充電壓，并完全放電后可低至 3.0 伏。電池使用微型 JST SH 2 針 1.25 mm 母頭連接器（圖 4）。

圖 4：緊湊型 TinyCircuits ASR00011 3.7 伏鋰離子電池尺寸為 16.0?mm x 15.0?mm x 5.0?mm，重量為 1.65 克，小到足以用于健身手表。（圖片來(lái)源：TinyCircuits）

如果需要更大電池容量，TinyCircuits ASR00008 3.7 伏鋰離子電池的額定容量為 1100 mAh。尺寸為 42.0?mm x 39.0?mm x 5.5?mm，對(duì)于健身手表來(lái)說(shuō)太大，但適合健康監(jiān)視器。

總結(jié)

可穿戴設(shè)備給開發(fā)人員帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，需要在小尺寸中兼具精確的傳感器和低功耗的特點(diǎn)。電子元器件供應(yīng)商專門為可穿戴設(shè)備制造器件，使元器件選擇更容易，同時(shí)為智能傳感器提供各種可加快設(shè)計(jì)速度的特性。