具有健康和健身追蹤功能的可穿戴設(shè)備日漸流行。這類應(yīng)用往往以加速度計作為主要運動傳感器，但是加速度計無法提供垂直運動的準(zhǔn)確估算，而這種估算對于準(zhǔn)確計算爬坡消耗的卡路里等參數(shù)至關(guān)重要。通過添加精密大氣壓力傳感器，可顯著提高垂直運動測量精度，同時也有助于其他傳感器的信息驗證。

目前市面上的大氣壓力傳感器靈敏度足以檢測低至13cm的高度變化，并且體積小巧、堅固耐用且功耗低，適用于可穿戴式設(shè)計。

本文探討了這類器件在健身追蹤器中的作用，并介紹TE Connectivity Measurement Specialties推出的一款適用于此應(yīng)用的氣壓傳感器，并具體說明了應(yīng)用方法。

高度計在健身追蹤器中的作用

健身追蹤產(chǎn)品的核心元件是用于慣性運動檢測的加速度計等器件，藉此計算步數(shù)、行走距離和消耗的卡路里等參數(shù)（圖1）。不過，垂直運動測量對于這類傳感器是一項挑戰(zhàn)。就加速度曲線而言，爬樓梯等活動與普通行走截然不同，因而很容易實現(xiàn)可靠檢測，但是沿斜坡行走與在水平地面行走的差異較小，因此僅憑加速度很難區(qū)分。然而，這兩種情況下所做的功（和所消耗的卡路里）卻大相徑庭。

對于健身追蹤精度的一些消費者研究表明，某些早期設(shè)備可能低估了30%。為了更準(zhǔn)確地確定健身參數(shù)，健身追蹤器需要一種簡單可靠的方法來精確測量垂直運動。

大氣壓力傳感器（即氣壓計）可以提供解決方案。在所有其他因素均相同的情況下，大氣壓取決于海拔高度，兩者的變化關(guān)系稱為“垂直氣壓梯度”，即大氣壓隨高度變化而變化的數(shù)值。因此使用氣壓公式來求解高度，即可將大氣壓力（或氣壓）傳感器用作氣壓高度計：

公式1

其中：

P是當(dāng)前壓力

P0是海平面的壓力 （h=0）

高度 （h） 以m為單位

該公式包含大氣成分和15℃的環(huán)境溫度等多個假定，因此如需準(zhǔn)確計算絕對高度，就需要更多信息。但即便壓力條件不同，該公式仍然適用，并且受溫度條件影響很小。因此，通過比較兩次連續(xù)測量的壓力值，即可由公式1輕松求得精確的高度變化。

海平面的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約為1013mbar，即1mbar壓差對應(yīng)約8m垂直變化。因此使用公式1時，壓力測量精度必須相當(dāng)高才能檢測人體的垂直運動。所幸，目前市面上已有緊湊型壓力傳感器足以滿足該精度要求。

TE Connectivity Measurement Specialties的MS5840-02BA微機電系統(tǒng)（MEMS） 壓力傳感器正是這類大氣壓力傳感器之一（圖2）。該器件可對大氣壓和環(huán)境溫度進行24位測量，從而在高度計應(yīng)用中實現(xiàn)13cm的有效高度分辨率——該分辨率足以檢測一級臺階的高度變化。

MS5840集成了MEMS壓力傳感器與定制ASIC，后者可將模擬傳感器信號數(shù)字化，并通過I2C總線實現(xiàn)主機與設(shè)備的連接，因此無需其他元器件即可將該器件添加至健身追蹤器設(shè)計。該模塊采用緊湊型表面貼裝，基底面為3.3 x 3.3mm，高度為1.7mm，小巧的體積適用于可穿戴設(shè)備。堅固耐用的蓋子通過接地來加強ESD保護以防止人為產(chǎn)生的靜電。

這類高精度模塊允許設(shè)計人員對傳感器原始讀數(shù)進行一階和二階補償，從而消除器件和溫度變化產(chǎn)生的誤差。所有器件都分別在兩個溫度和兩個壓力下進行工廠校準(zhǔn)，以產(chǎn)生校準(zhǔn)參數(shù)用于一階計算：

參考溫度 - TREF

參考溫度下的壓力靈敏度 - SENST1

壓力靈敏度的溫度系數(shù) - TCS

參考溫度下的壓力補償 - OFFT1

壓力補償?shù)臏囟认禂?shù) - TCO

溫度的溫度系數(shù) - TEMPSENS

進行一階補償時，設(shè)計人員必須檢索器件的校準(zhǔn)參數(shù)，獲取傳感器未經(jīng)補償?shù)?4位數(shù)字壓力 （D1） 值和溫度 （D2） 值讀數(shù)。然后，計算實際溫度與參考溫度的差值 （dT = D2 - TREF），并將其用于修正數(shù)字溫度讀數(shù) （TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS），以獲得精度為0.01℃的攝氏度 （℃）（2000 = 20.00℃）。

接下來，設(shè)計人員必須使用經(jīng)修正的溫度來修正壓力讀數(shù)，方法是先計算當(dāng)前溫度下的壓力補償 （OFF = OFFT1 + TCO x dT） 和壓力靈敏度 （SENS = SENST1 + TCS x dT）。然后計算經(jīng)溫度補償?shù)膲毫 = （（D1 x SENS/221） - OFF）/215，以mbar為單位，精度為0.01mbar （110002 = 1100.02mbar）。

經(jīng)一階修正的讀數(shù)在環(huán)境溫度較高時有效。但是在較低的溫度下，傳感器需要進行二階修正，如圖3所示。對于低溫（中間方框，＞10℃）和超低溫（左方框，≤10℃），使用一階修正的結(jié)果計算溫度和壓力的方法有所不同。

圖3：環(huán)境溫度較高時可使用一階計算，但是當(dāng)溫度降至20℃以下，甚至10℃以下時，就可能需要對傳感器讀數(shù)進行二階補償。（圖片來源：R. Quinnell，原始資料來源于TE Connectivity）

結(jié)果表明，在較寬溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過一階和二階修正的壓力和溫度讀數(shù)精度都很高，如圖4所示。

圖4：通過一階和二階補償，設(shè)計人員可以實現(xiàn)MS5840壓力傳感器在較寬溫度范圍內(nèi)的高精度。（圖片來源：TE Connectivity）

除了體積小、精度高以外，MS5840還具有一些其他特性使其特別適合可穿戴式應(yīng)用。該器件的工作電壓為1.5V至3.6V，因而可兼容1.8V和3.3V的邏輯設(shè)計。此外，這款低功耗器件的待機電流不足0.1μA。 工作電流將取決于傳感器讀數(shù)的頻率和分辨率。

內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 采用三角積分轉(zhuǎn)換方法，過采樣率（OSR） 可選。因此，開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換速度與功耗之間的最佳平衡。轉(zhuǎn)換過程中峰值電流典型值為1.25mA，但OSR設(shè)置為最大值 （8192） 時，若每秒讀取一個樣本，則轉(zhuǎn)換時間僅為17ms，平均電流為20μA。

OSR設(shè)置為最小值 （256） 時，轉(zhuǎn)換時間僅為0.54ms，平均電流為0.63μA。 此外，傳感器分辨率也受OSR設(shè)置影響，因而也應(yīng)納入權(quán)衡范圍。在最大OSR下，模塊分辨率為0.016mbar，對應(yīng)高度差不足13cm。在最小OSR （25） 下，分辨率為0.11mbar，對應(yīng)高度差約為90cm。

壓力傳感器設(shè)計考慮因素

使用壓力傳感器作為氣壓高度計時，開發(fā)人員需要注意以下系統(tǒng)設(shè)計考慮因素。本質(zhì)上，MEMS壓力傳感器是將一塊硅薄片蓋在填充參考壓力氣體（或真空）的腔室上。薄片上表面通過傳感器封裝的開口或端口連通大氣壓。腔室和環(huán)境之間的氣壓差使薄片彎曲變形而產(chǎn)生機械應(yīng)力，從而產(chǎn)生成正比的電信號。

MS5840的內(nèi)置ASIC可檢測該信號并將其數(shù)字化。 由于傳感器需連通環(huán)境氣壓，因此可穿戴設(shè)備設(shè)計必須為傳感器端口提供連通外部空氣的暢通路徑。不過，這一路徑不僅允許空氣進入器件，同時也會讓水和灰塵由此進入。因此，在可穿戴設(shè)備設(shè)計中，開發(fā)人員既要注意傳感器放置的位置以免阻塞空氣路徑，還須考慮設(shè)備外殼設(shè)計以實現(xiàn)最佳防水性能。

MS5840的設(shè)計可有效解決這一問題。該模塊采用分層結(jié)構(gòu)來保護傳感器。最底層是氧化鋁基板，SMT焊盤可為組件提供機械穩(wěn)定性。MEMS傳感器堆疊在ASIC上并裝于基板之上，ASIC可提供信號調(diào)節(jié)、數(shù)字化轉(zhuǎn)換和I2C接口。電子組件與不銹鋼蓋之間使用不透明凝膠填充，不銹鋼蓋用作器件連通大氣的端口。

凝膠的用途有多種，主要功能是將大氣壓傳遞到傳感器表面。凝膠既可作為傳感器與空氣的機械耦合，又能防止灰塵和濕氣進入電子器件。由于凝膠不透明，因此還可提供額外的光保護，以避免由光子引起的電子噪聲。蓋中包含凝膠可增強模塊剛性，搭配接地選項即可提高模塊的ESD抗擾度。

開發(fā)人員可以利用這種分層結(jié)構(gòu)，在傳感器蓋上粘附O形圈，將傳感器置于可穿戴設(shè)備外殼內(nèi)并使不銹鋼端口與外殼的空氣開口齊平，以提高可穿戴設(shè)備的防水性能。完成組裝后，設(shè)備外殼和傳感器蓋之間的O形圈可密封外殼，防止灰塵和水侵入設(shè)備，而凝膠則可保護傳感器。

將氣壓高度計整合至健身應(yīng)用時，需要注意的另一個考慮因素是潛在的測量誤差來源：風(fēng)。流動空氣比靜止空氣的壓力小，因此如果測量過程中突然刮起一陣大風(fēng)，則會導(dǎo)致傳感器檢測的氣壓瞬間下降。氣壓信號中的這種“噪聲”可能會造成高度陡變的假象。然而，健身監(jiān)測設(shè)備開發(fā)人員只需對照加速度計讀數(shù)來驗證高度變化的表征，即可消除這類誤差。如果沒有相應(yīng)的加速度，則高度“陡升”現(xiàn)象完全可以忽略。

對照消除法對于加速度同樣適用。在崎嶇路面騎行產(chǎn)生的加速度曲線可能與爬樓梯類似。但是，如果爬樓梯的加速度表征沒有引起相應(yīng)的高度變化，則系統(tǒng)也可考慮將加速度計讀數(shù)忽略為環(huán)境噪聲。

總結(jié)

隨著可穿戴式健身追蹤器的普及，設(shè)備健康數(shù)據(jù)的測量精度逐漸成為產(chǎn)品差異化要素。添加基于壓力的氣壓高度計可從多方面提高可穿戴式健身設(shè)備的精度，尤其是消耗的卡路里方面。此外，這類傳感器還有助于其他傳感器的信息驗證。不過，如需適用于可穿戴式健身監(jiān)測設(shè)備，壓力傳感器既要具有高精度，還須采用超小型封裝并能以低功耗運行。如上所述，TE Connectivity的MS5840-02BA具有高精度、小尺寸和低功耗的特性，完全滿足下一代可穿戴式健身追蹤器的需求。

編輯：jq