专注于新产品引入 (NPI) 并提供极丰富产品类型的业界顶级半导体和电子元件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起备货ON SemiconductorRSL10 多协议片上系统 (SoC)。此款通过蓝牙® 5认证的多功能SoC支持低功耗蓝牙技术以及2.4 GHz 专属或定制协议栈,能为各种应用提供超低功耗无线连接。

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贸泽电子供应的ON Semiconductor RSL10 SoC搭载48 MHz Arm® Cortex®-M3处理器,其中的32位双哈佛 (Harvard) DSP内核支持无线音频通信所需的音频编解码器。此器件同时具有闪存和RAM,通过多样化存储架构来存储蓝牙协议栈和其他应用。

高度集成的RSL10 SoC包含DMA控制器、振荡器和超高效率的电源管理单元。此款SoC适合采用1.2V和1.5V电池的应用,无需外部DC/DC 转换器即可支持1.1V至3.6 V的供电电压。

此SoC具有配套的RSL10评估板,通过此评估板的标准0.1英寸接头连接所有输入和输出。另外,此评估板还内置通信接口电路和J-Link解决方案,使用户能够通过USB/PC连接对评估板进行调试。

ON Semiconductor的RSL10 SoC用于为物联网 (IoT) 装置和高性能可穿戴设备提供超低功耗的连接,广泛支持各种医疗应用,包括健身追踪器、助听器、心率监测器、血糖仪和脉搏血氧仪。

有关详情,敬请访问www.mouser.com/onsemi-rsl10

贸泽电子拥有丰富的产品线与卓越的客服,通过提供采用先进技术的最新产品来满足设计工程师与采购人员的创新需求。我们库存有全球最广泛的最新半导体及电子元件,为客户的最新设计项目提供支持。Mouser网站Mouser.cn不仅有多种高级搜索工具可帮助用户快速了解产品库存情况,而且网站还在持续更新以不断优化用户体验。此外,Mouser网站还提供数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息和工程用工具等丰富的资料供用户参考。

关于贸泽电子 (Mouser Electronics)
贸泽电子隶属于伯克希尔哈撒韦集团 (Berkshire Hathaway) 公司旗下,是一家屡获殊荣的一流授权半导体和电子元器件分销商,专门致力于以最快的方式,向设计工程师和采购人员提供业界顶尖制造商的最新产品。作为一家全球分销商,我们的网站mouser.cn能够提供多语言和多货币交易支持,分销来自超过700家生产商的400多万种产品。我们通过遍布全球的22个客户支持中心为客户提供一流的服务,并通过位于美国德州达拉斯南部,拥有最先进技术的7万平方米仓库向全球170个国家/地区,超过55万家客户出货。更多信息,敬请访问:http://www.mouser.cn

关于ON Semiconductor
ON Semiconductor是顶尖半导体解决方案供应商,为环保型电子产品提供高性能、节能型半导体解决方案,其全面的产品组合包括电源和信号管理、逻辑、分立元件及定制元件等。该公司的产品能够帮助客户高效解决各类独特的设计挑战,广泛应用于汽车、通信、计算、消费型产品、工业、LED照明、医疗、军事/航空和电源等领域。

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简介

加速度计能够测量加速度、倾斜、振动或冲击,因此适用于从可穿戴健身装置到工业平台稳定系统的广泛应用。市场上有成百上千的加速度计器件可供选择,其成本和性能各不相同。本文第一部分讨论设计人员需要知道的关键参数和特性,以及它们与倾斜和稳定应用的关系,从而帮助设计人员选择最合适的加速度计。第二部分将重点关注可穿戴设备、状态监控(CBM)和物联网应用。

最新MEMS电容式加速度计应用于传统上由压电加速度计和其他传感器主导的应用领域。新一代MEMS加速度计可为CBM、结构健康监控(SHM)、资产健康监控(AHM)、生命体征监测(VSM)和物联网无线传感器网络等应用提供解决方案。然而,在有如此多加速度计和如此多应用的情况下,选择合适的加速度计并非易事。

尚无行业标准界定加速度计属于何种类别。加速度计的一般分类及相应的应用如表1所示。所示的带宽和g值范围是加速度计用在所列终端应用中的典型值。

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图1显示了各种MEMS加速度计的快照,并依据特定应用的主要性能指标和智能/集成水平将各传感器归类。本文的一个重要关注对象是基于增强型MEMS结构和信号处理的新一代加速度计以及世界一流的封装技术,其稳定性和噪声性能可与更昂贵的专门器件相媲美,而功耗更低。这些特性及加速度计的其他关键规格将在下文依据应用相关性加以详细讨论。

“图1.
图1. ADI公司精选MEMS加速度计的应用版图

倾斜检测

主要标准:偏置稳定度、失调温漂、低噪声、可重复性、振动校 正、跨轴灵敏度。

对MEMS电容式加速度计而言,精确的倾斜检测是一种要求颇高的应用,尤其是在有振动的情况下。在动态环境中利用MEMS电容式加速度计实现0.1°的倾斜精度非常困难——<1°很困难,>1°较易实现。为使加速度计有效测量倾斜度,必须对传感器性能和终端应用环境有很好的了解。相比于动态环境,静态环境对倾斜测量更加有利,因为振动或冲击可能会破坏倾斜数据,引起严重测量误差。倾斜测量的最重要特性有温度系数失调、迟滞、低噪声、短期/长期稳定性、可重复性和良好的振动校正。

0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0 g偏置漂移、0 g偏置温度系数、灵敏准确度和温度系数、非线性度以及跨轴灵敏度等误差,是可以观测到的,并且可以通过装配后校准流程加以降低。迟滞、使用寿命期间的0 g偏置漂移、使用寿命期间的灵敏度漂移、潮湿引起的0 g漂移,以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭转等等,这些误差项无法通过校准或其他方法解决,需要通过一定程度的原位维修才能减少。

ADI公司的加速度计可分为MEMS (ADXLxxx)和iSensor® (ADIS16xxx)特殊用途器件两类。iSensor或智能传感器是高集成度(4到10个自由度)且可编程器件,适用于动态环境下的复杂应用。这些高集成度即插即用解决方案包括全面的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理,解决了上述需要原位维修的很多误差,大大降低了设计和验证负担。这种全面的工厂校准为整个传感器信号链提供额定温度范围(通常是−40°C至+85°C)内的灵敏度和偏置特性。因此,每个iSensor器件都有其独特的补偿公式,安装后可产生精确的测量结果。对于一些系统,工厂校准可免除系统级校准,大大简化操作。

iSensor器件专门针对某些应用而开发。例如,图2所示的 ADIS16210 专门针对倾斜应用而设计并定制,因此,它能提供<1°的相对精 度且开箱即用。这主要归功于集成信号处理和特定器件校准,以 便实现最佳精度性能。iSensor器件将在稳定性部分进一步讨论。

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图2. ADIS16210精密三轴倾斜

最新一代加速度计架构(例如 ADXL355)提供更多功能(倾斜、状态监控、结构健康、IMU/AHRS应用),包含的集成模块更少针对特定应用,但功能丰富,如图3所示。

“图3.
图3. 低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计ADXL355

下面比较通用加速度计ADXL345和新一代低噪声、低漂移、低功耗加速度计ADXL355,后者是广泛应用的理想之选,例如物联网传感器节点和倾角计。这一比较着眼于倾斜应用中的误差源,以及可以补偿或消除的误差。表2列出了消费级ADXL345加速度计理想性能规格及相应倾斜误差的估算值。试图达到最佳倾斜精度时,必须采用某种形式的温度稳定或补偿。在下面的例子中,假设恒温为25°C。无法完全补偿的最主要误差促成因素是温漂失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽来降低噪声,因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

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表3列出了适用于ADXL355的相同标准。短期偏置值根据ADXL355数据手册中的Allan方差图估算。25°C时,通用ADXL345补偿后的估计倾斜精度为0.1°。工业级ADXL355的估计倾斜精度为0.005°。通过比较ADXL345和ADXL355可以看出,重大误差贡献因素引起的误差已显著降低,比如噪声引起的误差从0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的误差从0.057°降低到0.00057°。这表明MEMS电容式加速度计在噪声和偏置漂移等性能方面取得了巨大飞跃,在动态条件下能够提供更高水平的倾斜精度。

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选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要,特别是应用需要小于1°的倾斜精度时。应用精度取决于应用条件(温度大幅波动,振动)和传感器选择(消费级与工业级或战术级)。在这种情况下,ADXL345将需要大量的补偿和校准工作才能实现小于1°的倾斜精度,增加整个系统的工作量和成本。根据最终环境和温度范围内的振动大小,甚至不可能实现上述精度。25°C至85°C范围内的温度系数失调漂移为1.375°,已经超过倾斜精度小于1°的要求。

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25°C到85°C范围内ADXL355的最大温度系数失调漂移为0.5°。

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ADXL354和ADXL355可重复性(X和Y轴为±3.5 mg/0.2°,Z轴为±9 mg/0.5°)为10年寿命预测值,包括高温工作寿命测试(HTOL)(TA = 150°C、VSUPPLY = 3.6 V、1000小时)、温度循环(−55°C至+125°C且循环1000次)、速度随机游走、宽带噪声和温度迟滞引起的偏移。这些新型加速度计可在所有条件下提供可重复的倾斜测量,在恶劣环境中无需进行大量校准即可实现最小倾斜误差,而且能最大程度减少部署后的校准需要。ADXL354和ADXL355加速度计能以0.15 mg/°C(最大值)的零失调系数保证温度稳定性。这种稳定性最大程度地减少了校准和测试相关的资源和成本开销,帮助设备OEM制造商实现更高的吞吐速率。此外,产品采用密封封装,可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合其规格参数。

通常,数据手册上不会显示可重复性和对振动校正误差(VRE)的抑制能力,因为这些参数可能暴露产品性能较低。例如,ADXL345是一款针对消费类应用的通用加速度计,VRE不是设计人员的重要关注参数。然而,在惯性导航等高要求应用、倾斜应用或振动频繁的特定环境中,对VRE的抑制能力可能是设计人员的重点关注对象,因此ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357 数据手册会 给出此类参数。

如表4所示,VRE是加速度计暴露于宽带振动时引入的失调误差。当加速度计暴露于振动环境时,相比温漂和噪声导致的0 g失调,VRE在倾斜测量中会导致明显误差。这是不再使用数据手册的主要原因之一,因为很容易掩盖其他主要规格。

VRE是加速度计对交流振动(被整流为直流)的响应。这些直流整流的振动可能会使加速度计失调发生偏移,引起严重误差,尤其是在目标信号为直流输出的倾斜应用中。直流失调的任何小变化都可能被解释为倾角变化,导致系统级误差。

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各种谐振和加速度计(本例为ADXL355)中的滤波器均可能引起VRE,因为VRE对频率有很强的依赖性。这些谐振会放大振动,放大倍数等于谐振的Q因数,而在较高频率时会抑制振动,原因是谐振器存在二阶偶极子响应。传感器的谐振品质因数越高,振动幅度越大,其VRE也就越大。较大测量带宽会将高频带内振动包含在内,引起较高的VRE,如图4所示。为加速度计选择合适的带宽以抑制高频振动,可以避免很多振动相关问题。

“图4.
图4. 在不同带宽进行的ADXL355 VRE测试

静态倾斜测量通常需要±1g到±2g的低g加速度计,带宽小于1.5 kHz。模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355均为低噪声密度(分别为20 μg√Hz和25 μg√Hz)、低0g失调漂移、低功耗三轴加速度计,集成温度传感器,测量范围可选,如表5所示。

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ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封装,有助于实现出色的长期稳定性。性能提升与封装通常是正相关,如图5所示。封装常常被忽视,其实制造商可以利用封装来实现更好的稳定和漂移性能。这是ADI公司的一个重点关注方面,我们提供类型广泛的传感器封装以适应不同的应用领域。

高温和动态环境

在适合高温或恶劣环境的加速度计可用之前,一些设计人员曾不得不将标准温度IC用在远超出数据手册限值的情形中。这意味着最终用户须承担在高温下检验器件质量的责任和风险,成本高昂且颇费时间。密封封装能够耐受高温已是广为人知的事实,它通过一道能抵御湿气和污染的屏障来防止腐蚀。ADI公司提供各类密封器件,这些器件具有增强的温度稳定性和性能。ADI公司还大力研究了塑料封装在高温下的性能,尤其是引线框架和引脚适应高温焊接工艺的能力,使其在高冲击和振动环境中牢固可靠。因此,ADI公司提供18款额定温度范围为−40°C至+125°C的加速度计,包括 ADXL206, ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357, ADXL1001/ADXL1002, ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大部分竞争对手未提 供能在−40°C至+125°C温度范围内或恶劣环境条件下(例如重工业机械和井下钻探)工作的MEMS电容式加速度计。

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图5. 高级封装技术和校准带来性能提升的示例

在温度超过125°C的恶劣环境中进行倾斜测量是极具挑战性的工作。ADXL206是一款高精度(倾斜精度<0.06°)、低功耗、完整的双轴MEMS加速度计,适用于高温和恶劣环境,例如井下钻探。该器件采用13 mm × 8 mm × 2 mm侧面钎焊、陶瓷、双列直插式封装,支持−40°C至+175°C的环境温度范围,超过175°C时性能会下降,但100%可恢复。

在有振动的动态环境中(例如农用设备或无人机)进行倾斜测量,需要g值范围较高的加速度计,比如ADXL356/ADXL357。有限g值范围的加速度计测量可能会削波,导致输出失调增加。引起削波的原因可能是灵敏轴在1 g重力场中,或者是发生上升时间快但衰减慢的冲击。较高的g值范围可减少加速度计削波,从而降低失调,在动态应用中提供更好的倾斜精度。

图6所示为ADXL356 Z轴的g值范围有限的测量,此测量范围中已经存在1g。图7所示为同一测量,但g值范围从±10 g扩展到±40g。可以清楚看到,加速度计的g值范围扩展显著降低了削波引起的失调。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357提供出色的振动校正、长期重复性和低噪声性能,而且尺寸很小,非常适合静态和动态环境中的倾斜检测应用。

“图6.
图6. ADXL356 VRE,Z轴相对于1 g的失调,±10 g范围,Z轴方向 = 1 g

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图7. ADXL356 VRE,Z轴相对于1 g的失调,±40 g范围,Z轴方向 = 1 g

稳定

主要标准:噪声密度、速度随机游走、运动中偏置稳定度、偏置重复性和带宽。

检测并了解运动可以给许多应用带来好处。掌控一个系统发生的运动,然后利用该信息提高性能(缩短响应时间、提高精度、加快运行速度),增强安全性或可靠性(系统在危险情况下关机),或者获得其他增值特性,是很有益的。由于运动的复杂性,有大量稳定性应用需要综合运用陀螺仪和加速度计(传感器融合,如图8所示),例如UAV监控设备和船上天线指向系统等。

“图8.
图8. 6自由度IMU

6自由度IMU使用多个传感器,以便弥补彼此的弱点。看起来像是一个或两个轴上的简单惯性运动,实际可能需要加速度计和陀螺仪传感器融合,目的是消除振动、重力和其他单凭加速度计或陀螺仪无法准确测量的影响因素。加速度计数据包括重力分量和运动加速度。二者无法区分,但可利用陀螺仪将重力分量从加速度计输出中去除。为了根据加速度确定位置,需要进行积分,在此过程之后,加速度计数据的重力分量引起的误差可能会快速变大。由于累积误差,仅凭陀螺仪不足以确定位置。陀螺仪不检测重力,因此可用作加速度计的辅助传感器。

在稳定性应用中,MEMS传感器必须精确测量平台方位,特别是在运动时。图9是一个采用伺服电机校正角向运动的典型平台稳定系统的框图。反馈/伺服电机控制器将方向传感器数据转换为伺服电机的校正控制信号。

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图9. 基本平台稳定系统3

最终应用将决定所需的精度水平,而所选的传感器质量(消费级还是工业级)将决定其能否实现。区分消费级器件和工业级器件很重要,有时候二者的区别很微妙,可能需要仔细考虑。表6显示了消费级加速度计和IMU中集成的中档工业级加速度计的主要区别。

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在某些条件有利且可接受较低精度数据的情况下,使用低精度器件便可满足性能需要。然而,对能在动态环境中工作的传感器需求迅速增长,较低精度器件由于不能降低实际测量中的振动效应或温度效应而大受影响,很难达到小于3°至5°的指向精度。多数低端消费级器件未提供诸如振动校正、角度随机游走之类的参数规格,而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源。

为了在动态环境中达到1°甚至0.1°的指向精度,设计人员的器件选择必须聚焦于传感器抑制温漂误差和振动影响的能力。传感器滤波和算法(传感器融合)虽然是提升性能的关键要素,但无法消除消费级与工业级传感器的差距。ADI公司新型工业IMU的性能接近于上一代导弹制导系统所用的产品。诸如ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件以标准和迷你IMU外形尺寸提供精密运动检测,打进过去的特殊应用领域。

本文第二部分将继续探讨MEMS加速度计的重要工作特性,以及它们与可穿戴设备、状态监控、物联网、结构健康监控和资产健康监控等应用领域的关系。

参考电路

1. Long Pham and Anthony DeSimone. “MEMS加速度计的振动校正” ADI公司,2017年。

2. Bob Scannell. “高性能惯性传感器助力运动物联网” ADI公司,2017年。

3. Mark Looney. “分析稳定系统中的惯性MEMS的频率响应” 《模拟对话》,第46卷,2012年。

作者

Chris Murphy

Chris Murphy是欧洲中央应用中心的应用工程师,工作地点在爱尔兰都柏林。他于2012年加入ADI公司,为电机控制和工业自动化产品提供设计支持。他拥有电气工程研究硕士学位和计算机工程学士学位。

本文转载自:ADI亚德诺半导体
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新型Si117x生物识别传感器提供高精度心率监测(HRM)同时最小化功耗以支持全天候监测

Silicon Labs(亦称“芯科科技”,NASDAQ:SLAB)日前推出一系列光学生物识别传感器,为各种可穿戴健身和健康产品提供先进的心率监测(HRM)和心电图(ECG)功能。新型Si117x传感器模块具有超低功耗、高灵敏度和出色的集成度,非常适合需要长电池寿命和更高心律精度要求的智能手表、腕式、贴片型设备或其他可穿戴设备。为了简化开发并缩短上市时间,Silicon Labs提供了完整的传感解决方案,集成了Si117x传感器模块、心律算法、用Bluetooth®连接的Wireless Gecko SoC,以及包含示例代码、示例项目且易用的腕式开发工具包。Silicon Labs将于1221-23日举办的第六届深圳国际嵌入式系统展 (Embedded Expo) 上,同步展出Si117x传感器模块及完整的解决方案,欢迎莅临深圳会展中心一号馆1A08摊位。

全天候心率监测是健康和健身可穿戴设备的关键需求。通过全天跟踪心率,终端用户和医疗保健业者可以分析生理数据,在健康问题发现之前检测出健康状况并考虑调整生活方式。为满足市场对功率的需求,Si117x传感器在执行连续心律测量时消耗不到50μA电流(传感器和LED合计)。内置的缓冲区和加速度计同步功能可以节省更多的系统级功耗。凭借传感器行业领先的功耗控制技术,开发人员能够在可穿戴设计中使用更小的电池,并且不会在连续监测过程中显著影响设备的电池寿命。

Si117x传感器提供增强型心律测量精度,以获得更好的最终用户体验。这些传感器提供了快速的采样、高信噪比(SNR>100dB)以及消除环境噪声和错误数据过滤的能力,尽管面对不同生理特征、肤色和具有纹身等因素,依旧可以产生高质量的信号,更容易追踪心率。更准确的心电波形视图使得生物测量能够超越传统的心律监测,这包括心率变异(HRV)、应力分析和脉搏量。

通过将ECG测量与光学心律测量相结合,Si117x传感器可让开发人员为可穿戴设备开辟新的潜在生物识别技术。ECG波形是心脏状态测量的黄金标准,Si117x传感器以经济高效的方式将此功能带给腕式可穿戴设备。通过在同一台设备上同时进行测量,Si117x传感器允许开发人员将生物测量学与光学光电血管容积图(PPG)测量相结合,以获取更有价值的生理参数。

Si117x模块的高集成度简化了可穿戴设计,使得同时进行多个传感器测量变得更加容易,同时不会增加显著的系统成本或电路板面积。每个模块最多支持4个不同的LED(全部可以同时驱动),其4个LED驱动器可以独立编程(从1.7mA到310mA)。其他内置功能包括光电探测器、动态范围>100dB的24位ADC、I2C和SPI数字接口、可编程事件中断引擎、同步引擎、主机通信处理器以及2个外部光电二极管输入。

Silicon Labs物联网产品高级营销总监Tom Pannell表示:“随着健康和健身可穿戴设备市场的不断增长,开发人员需要完整的生物识别传感解决方案,使得其无需经过复杂的集成即可完美工作。Silicon Labs是唯一一家只靠自己就可提供全面心律监测系统解决方案的供应商,从传感器模块和算法到能够通过Bluetooth LE传输测量结果的无线SoC。我们的心律监测示例项目考虑了这些组件之间的接口,提供模块间的简单通讯接口来简化客户支持和调试。”

Si117x传感器支持Silicon Labs专有的运动补偿心律算法,该算法针对腕式测量进行了优化,并可在支持低功耗蓝牙的EFM32 Gecko MCU和EFR32 Wireless Gecko SoC上运行。这种集成可实现系统级功耗和性能优化,并缩短开发人员为其可穿戴设计添加心律监测功能的时间。

在即将于深圳会展中心举办的第六届深圳国际嵌入式系统展上,Silicon Labs将展出Si117x传感器模块、以及心律算法和Wireless Gecko SoC的全套解决方案;同时还将展出打造智能化嵌入式系统所需的蓝牙和zigbee无线协议、传感、MCU和隔离方案和产品。Silicon Labs的技术专家将与开发人员面对面交流,并通过实际产品演示帮助他们成就更互联的世界。欢迎莅临Silicon Labs 深圳会展中心一号馆1A08展示摊位。

价格和供货

Si117x传感器样品和模块批量生产已经就绪,支持3.7mm × 7mm 28引脚LGA封装。Silicon Labs还提供了Si118x光学生物识别传感器芯片,集成光电二极管,采用透明的3mm×3mm QFN封装。为了简化开发和性能评估,Silicon Labs提供了多种腕式ECG和PPG开发套件,一款支持Bluetooth的心律手表,以及一款基于Android的Triple Heart应用程序,它可从多个设备上获取数据。请联系各地的Silicon Labs销售代表,进一步了解传感器和开发套件价格。欲获得更多信息或订购传感器样品,请浏览网站:www.silabs.com/hrm

关于Silicon Labs

Silicon Labs(NASDAQ:SLAB)是领先的芯片、软件和解决方案供应商,致力于建立一个更智能、更互联的世界。我们屡获殊荣的技术正在塑造物联网、互联网基础设施、工业自动化、消费电子和汽车市场的未来。我们世界一流的工程团队创造的产品专注于性能、节能、互联和简易化。更多信息请浏览网站:www.silabs.com

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背景

总体医疗电子市场在 2015 年的估值约为 30 亿美元,并预期将以 5.4% 的年复合增长率持续成长,到 2022 年达到 44.1 亿美元的市场规模。[信息来源:Marketsandmarkets.com]。那么,认为以下因素是推动这种发展的一些主要动力就不足为奇了,即:不断上升的人口老龄化和日趋增多的生活方式疾病;对于个性化、易用型和先进保健装置日益攀升的需求;以及可穿戴式医疗电子产品使用率的不断提高。

与此同时,由于长时间地让患者在医院的病床上治疗和康复所产生的费用在经济上逐渐变得难以为继,对于医疗机构自身和患者而言都是如此。因此,医院正在寻找减少这些费用负担的方法,在不会影响患者完全康复的情况下,让患者尽快获得良好和自主性。实现此目标的一种方法是用远程监测和诊断设备解放患者,这样他们就可以回到自己的家中休养了。这些远程病患监测功能通常包括心率、血压、呼吸率、睡眠呼吸暂停、血糖水平和体温。因此,这对 “刺激便携式和无线医疗仪表增长的现实走向之一是门诊治疗” 的假设提供了支持。结果,许多此类便携式电子监测系统必须内置 RF 发送器,这样从患者监测系统收集的任何数据都能容易地直接发送回医院内的监控系统,主治医师稍后即可在此进行检查和分析。

低功率精准型组件促成了便携式和无线医疗仪器的快速成长。然而,与许多其他应用不同的是,此类医疗产品对于可靠性、工作时间和坚固性通常有着高得多的标准。该负担的大部分落在了电源系统及其组件身上。医疗产品必须正确地工作,并且在交流电源插座、备份电池、甚至收集的环境能量源等多种电源之间无缝地切换。此外,必须竭尽全力地提供针对各种不同故障情况的保护及耐受能力,尽量地延长依靠电池供电时的工作时间,并确保每当接入了某种有效电源时正常的系统操作是可靠的。

适用于患者监测系统的潜在解决方案

鉴于上述情形,这是合理认为 “给患者提供合适家用医疗仪表的花销远远不及出于相同目的而让患者住院治疗所支付之费用”。不过,至关重要的是:患者使用的设备不仅必需可靠,而且还要为患者提供防护!因此,这类产品的制造商和设计师必须确保它们能够依靠多种电源 (包括备份能源) 无缝地运行,从患者身上收集的数据具有高可靠性,并实现 99.999% 的无线数据传输完整性。这要求系统设计师确保即将采用的电源管理架构不仅具备坚固性和灵活性,而且还必需紧凑和高效。这样,医院和患者的需求相互得到了满足。

幸运的是,凌力尔特等多家模拟公司致力于通过推出创新型产品来提供针对上述问题的解决方案。由于医疗电子系统中有很多应用即使在交流电源中断的情况下也需要连续运行功率,因此一项关键的要求是实现低静态电流以延长电池寿命。相应地,备用静态电流小于 9mA 的开关稳压器常常是用户所需要的。事实上,有些依靠电池与能量收集之组合作为其主电源供电运行的新型系统,要求其静态电流为个位数的微安级,或者在某些场合中甚至是纳安级。这是在此类 “居家使用型” 患者医疗电子系统中得到采纳所必需满足的先决条件。

尽管开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器,但是它们的效率水平要比后者好得多。只要开关电源以可预知的方式运行,噪声和 EMI 水平在许多敏感应用中被证明是易控制的。如果开关稳压器在正常模式中以恒定频率执行开关操作,而且开关边沿是干净和可预知的 (没有过冲或高频振铃),则 EMI 得到了最大限度的抑制。小的封装尺寸和高工作频率能够提供小巧紧凑的布局,这极大地降低了 EMI 辐射。此外,假如稳压器可使用低 ESR 陶瓷电容器,则能尽量地减小输入和输出电压纹波,这些纹波是系统中的额外噪声源。

当今多功能患者监测医疗装置中的电源轨数目有所增加,而工作电压则持续地下降。虽然如此,许多此类系统仍然要求 3V、3.3V 或 3.6V 电源轨以为低功率传感器、存储器、微控制器内核、I/O 和逻辑电路供电。此外,由于它们的运作有时是生死攸关的,所以其中很多都配有一个电池备份系统以防装置的主电源发生故障。

传统上,它们的电压轨一直是由降压型开关稳压器或低压差稳压器提供。然而,此类 IC 并未利用电池的全工作范围,因而缩短了装置的潜在电池运行时间。于是,当采用降压-升压型转换器 (其能提升电压或降低电压) 时,它将使电池的全工作范围能得到利用。这增加了操作裕量并延长了电池运行时间,因为更多的电池寿命是可用的,尤其当它接近其放电曲线的低端时。

作为一种电源的能量收集

最近,在能量收集领域涌现了大量的创新成果;特别是采用人类自身的体热作为给电子监测系统供电或对为这些系统供电的电池进行再充电的一种潜在能量源。这类技术进步实现了医疗电子组件尺寸和形状的改变,以适应毫瓦和 / 或微瓦功率范围。这意味着许多复杂的电子系统和装置 (例如:可穿戴式医疗和自主设备) 如今的功率消耗可大约低于 250µW。

而且,功率级别处在数 µW 至数百 mW 范围内的无线传感器网络通常采用电池电源工作。不过,由于电池电源内在局限性 (例如:电荷的贮存寿命,以及适用情况下进行定期再充电的需要) 的原因,采用热量或振动等环境能量源来完成 “可再充电” 电池定期再充电的可能性已经展现在世人面前。现在,该是介绍的时候了。

凌力尔特制造能量收集 IC 几乎已有 10 年的时间;推出的首款产品是 2009 年 12 月面市的 LTC3108。LTC3108 是一款超低电压 DC/DC 转换器和电源管理器,专为收集和分配剩余能量而特别设计,可从热源产生极低的电压。这可以是从 “热” 到 “更热” 或从 “冷” 到 “更冷”,因为唯一需要的是 1°C 或更大的温度梯度。

然而,更近期推出的产品是 LTC3107,它是一款高度集成的 DC/DC 转换器,专为通过收集和管理来自 TEG (热电发生器) 和热电堆等极低输入电压电源的剩余能量来延长低功率无线系统中的主电池之寿命而设计。

采用 LTC3107 后,一个负载点能量收集器只占用极小的空间,只要能够容纳 LTC3107 的3mm x 3mm DFN 封装和几个外部组件即可。通过产生一个跟踪现有主电池之电压的输出电压,可无缝地采用 LTC3107 以把免费热能收集的成本节约带到新的和现有的电池供电型设计中。此外,LTC3107 还能与一个小的热能量源一起延长电池寿命 (在有些场合中可长达电池的保质期),从而降低与电池更换有关且重复发生的维护成本。LTC3107 专为增强电池或甚至完全为负载供电而设计,这取决于负载情况和可用的收集能量。图 1 示出了LTC3107 能怎样容易地收集热能以为无线传感器节点 (WSN) 供电,并在环境能量源不可用时无缝地切换至电池电源。

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图 1:LTC3107 收集热能以为一个 WSN 供电和 / 或给一个电池充电

此外,LTC3331是一款多功能环境能量收集器,其形成了完整的能量收集调节解决方案,当可收集能量可用时,提供高达 50mA 的连续输出电流以延长电池寿命,见图 2。当用收集的能量向负载提供稳定功率时,该器件不需要电池提供电源电流,而在无负载情况下用电池供电时,仅需要950nA 的工作电流。LTC3331集成了一个高电压能量收集电源和一个同步降压-升压型DC/DC 转换器 (该转换器由可再充电主电池供电),以为WSN 和物联网 (IoT) 设备等能量收集应用提供一个不间断输出。

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图 2:LTC3331 可转换多种能量源,并能使用一个可再充电的主电池

LTC3331 的能量收集电源由一个适合 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器组成,从压电 (AC) 、太阳能 (DC) 或磁性组件 (AC) 能源收集能量。一个 10mA 分路器用收集的能量实现简便的电池充电,而低电量电池断接功能则保护电池免于深度放电。可再充电电池给一个同步降压-升压型转换器供电,该转换器在 1.8V 至 5.5V 的输入范围内工作,当收集的能量不可用时用来调节输出,而不管输入高于、低于或等于输出。在应对微功率电源时,LTC3331 电池充电器拥有非常重要且不可忽视的电源管理功能。LTC3331 纳入了对电池充电器的逻辑控制功能,以便仅在能量收集电源有多余的能量时才给电池充电。如果没有这种逻辑控制功能,能量收集电源就会在启动时卡在某个非最佳的工作点上,不能完成启动,无法给目标应用供电。当收集的能源不再可用时,LTC3331 自动地转换到电池。这带来了一个额外的好处,即:如果适合的能量收集电源至少在一半的时间内可用,就允许电池供电的 WSN 将其工作寿命从10 年延长至超过 20 年,假如环境能量源更加普遍存在,那么寿命甚至更长。

结 论

智能型医疗可穿戴产品市场已蓄势待发。在医院病患照护的高成本和呈爆炸性增长的人口老龄化的共同影响下形成推动力。包括使用传感器的医疗保健可穿戴设备在内的这新一波产品可监视关键生物统计信息,例如在医院以外测量心率和血压,这为采用更加积极、健康的生活方式创造了机会。智能可穿戴设备的核心架构取决于产品类型,但基本上由一个微控制器、MEMS 传感器、无线连接电路、电池和支持性电子组件组成。

因此,拥有目前这波能够利用多种形式的环境能量,以为人体健康监测装置供电的多功能能量收集和 / 或 IoT 解决方案,就可以在不影响患者完全康复的情况下,让他们较快地返回自己的家中进行治疗和休养。

本文转载自 凌力尔特
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作者:贸泽电子,Peter Brown

当提到可穿戴设备时,大多数人会想到戴在手腕上的智能手表、健身监视器和心率监测器等。然而,可穿戴设备市场已经远远超越了这些标准设备,在多个不同领域的新兴市场已经暂露头脚。能够提供医疗保健功能的智能服装便是众多新型市场中的一个,它是将电子产品编织到衬衫、毛毯、绷带、针织帽或裤子中,以此来执行特定的护理功能。

智能服装也可以被称作电子纺织品,目前正处于发展的初级阶段,在医院和其他护理机构的实际应用非常少。然而,这项技术的潜力是巨大的,许多医疗机构和医疗设备制造商都在积极寻找智能服装的试点项目,并研究最新的电子纺织技术。实际上,智能服装在医疗保健领域有着这样的期望——在未来5年里,它将颠覆整个行业。

“总体而言,医疗行业正经历着自身的危机,尤其是在美国和英国。”市场研究公司Tractica的研究主管Aditya Kaul说,“因此,目前的重点应该是解决医疗保健的本身,而不是像智能服装这样的技术。我们看到,在未来三到四年,智能衣服市场增长缓慢,但那之后,将会有一个光明而增长迅速的市场。” Tractica预测,到2021年,医疗保健市场智能服装市值将从现在的240万美元增长到12亿美元,其中最强劲的增长将出现在2019 - 2021年。

电子纺织技术和工作原理

智能服装被看作是医疗保健的一场革新,人们希望利用它来监测健康或帮助治疗,从而减少对昂贵的医疗设备和医疗系统的依赖。智能化的服装能够追踪慢性疾病,可以让病人在住院治疗期间变得更舒服,这可以帮助日益老龄化的人们,因此,这被视为一种可以创造价值、提高健康洞察力和降低成本的新方法。

电子纺织品不仅穿起来让皮肤感觉舒适,而且具有一定的功能型,他们由传统的纤维织物和导电纤维编织而成,并且集成了生物医学传感器、微控制器、光纤和可穿戴天线等电子元件,如贸泽电子的物联网模块。

AD公司的AD8232/33心率监测模块就是一个可以在电子纺织品里面使用的例子,该模块可以用于监测心率和测量其他的生理指标,在有噪声条件的环境下,提取、放大和过滤小生物信号。Intel 的Edison开发平台为科学家,企业家和设计师提供了物联网、可穿戴产品的原型设计解决方案。它不仅是一个系统模块的解决方案,更包含了可穿戴天线。

一般情况下,电子纺织品是由典型的桌面缝纫机制造出来的,这种缝纫机在电脑程序的控制下将线绣在图案上。对于银、镍、碳、铜、铝和不锈钢等金属纤维,他们的手感和传统的线相似,也可以拿来使用。贸泽电子的Adafruit可穿戴电子平台可以用在任何可穿戴项目中,它功能齐全、圆形设计、体积小、可以缝合,并且兼容Arduino。

根据导电纤维的编织方式,并考虑到智能服装中电子产品的安装,电子纺织品可以像普通衣服一样进行水洗。但很多时候,面料的耐用性仍然是一个持续存在的问题,但考虑到很多研究人员和公司都为解决这个问题而努力,相信这个问题很快就会得到解决。

智能服装的市场导向和挑战

目前,智能服装已经成功商业化的例子非常少。其中一个原因便是,医疗领域的公司不愿意投资这种研究项目,他们大部分采取了观望的态度。企业和制造商更愿意把市场转向健康和体育领域,因为在这个领域,即使失败所付出的代价也很小。

然而,在世界上的很多地区,糖尿病、心脏病、癌症、呼吸道疾病等慢行疾病呈上升趋势。在欧洲和美国等地,人们的寿命越来越长,接收手术的数量也越来越多。智能服装的发展会带动新型电子产品的发展和医疗技术的进步。在一些临床试验中,智能服装已经显示出抵御传染病的作用,而且能够感知穿戴者的健康状况,并帮助预防、治疗和管理健康。

Luciano Boesel是瑞士研究机构Empa适应性纺织品和水凝胶(图1)小组的负责人,他说:“在医疗护理方面,尤其是电子纺织品方面,会有很多机会。普通家庭长期被疾病困扰的病人对疾病监测的需求,会促进该领域的快速的发展。在未来五年的时间里,我相信在医疗领域会有更多的创新纺织品解决方案。”

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图1:为防止褥疮并监测心率而将光纤集成到毯子或衬衫中,这是Empa研究人员正在研究的。(来源: Empa)

Boesel承认电子纺织品还面临着很多需要解决的问题,包括可靠性、责任和认证等方面。监管部门的审批流程给制造商和研究人员带来了麻烦,因为FDA的审批可能需要持续很多年。此外,获得保险公司的批准和认证也是一个障碍。因此,对于目前已经进入智能服装行业的企业来说,需要三到五年才能取得成果。许多专家认为,这一行业的拐点将在2020年时候出现。

当前问题的解决

James Hayward是市场研究公司IDTechEx的技术分析师,他认为,如果对于技术能够获得更多金融或经济上的好处,那么智能服装就更有可能被供应商所采用。

Hayward说:“将床单或床垫这样的电子纺织品与压力传感器集成在一起,可以感知病人在上面的移动,这可以用来预防病人的褥疮,目前这个项目已经引起了很多公司的兴趣。在以前,解决褥疮、尿失禁等花费了医院和护理机构的大量的时间和金钱,如果将湿度传感器集成到智能服装中,用来监视病人的排尿,可以轻松的解决这个问题,这是一个很有投资价值的项目。”

“如果电子纺织品继续被证明是成功的,那么在被大众所接受后,它将成为一种高端奢侈品” Hayward说,“这些事情需要时间的,而伴随着典型的医疗设备的引进时间的下降,我预计在未来5年最多10年内将会看到这一切,我认为它会逐渐进入医疗行业。”

服装+正在与Jabil合作,批量生产满足FDA要求的医疗等级传感器。生物阻抗背心是众多传感器中的一种,它通过测量肺部的水分积聚,来表明心脏状况,这可以帮助病人在住院前,在家里对病情进行实时监测,节省时间和金钱;胸带也是一种生物传感器,它可以通过测量肺部的形状来分析肺的性能;光治疗毯可以用来治疗婴儿的黄疸,这样患有黄疸的孩子可以被父母或亲人抱着进行治疗,而不必向过去一样,把孩子放到光疗法的仪器中。

Edema ApS正在开发一种可清洗的袜子,这种袜子可以通过测量患者腿部体积的变化来确定其是否患有水肿(图2)。目前该袜子还没有为患者所使用,但已经进入了准备进行临床试验和验证的环节。未来该长袜还将具备更多的功能,如用来监测充血性心力衰竭、先兆子痫、高血压、水肿和尿蛋白等病症。

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图2 耐磨,耐洗的袜子,它可以用于监测病人腿部的水肿情况,目前正准备进入临床试验和验证阶段。(来源: Edema ApS)

“袜子不仅可洗,而且经久耐用,适合家庭使用,这是这个项目的主打概念。袜子能够一直监测着腿部变化,以避免由于长时间问题旅行所造成的腿部水肿”,Edema的CEO说。长袜可以与智能手机中的APP连接,在APP里面用户可以根据运动情况进行自我调节,以确定是否需要调整或重新定位,甚至进行医治。

Hexoskin是一家可穿戴服装供应商,他们的一直致力于生理指标的监测产品,产品包含了为运动和健身市场而开发的智能服装,也包含了心脏病、呼吸、神经病学、精神障碍和儿科学等医疗保健领域的电子纺织品。目前,Hexoskin正在进行长期远程监测的临床试验,传感器被编织到智能衬衫中,用来进行心脏的心电图监测、肺功能监测和活动监测。

学术引领方向

在电子纺织品的医疗市场中,大学里面对该领域的研究为市场的发展带来了希望。

芬兰的VTT技术研究中心正在开发一项有趣的项目,研究人员发明了一种智能织物,它可以用在衣服或毯子中,用它做成的衣服或毯子可以根据人体的体温和环境的温度来判定病人所处的环境是否舒适。这样的衣服也可以给外科医生所使用,在手术过程中,衣服的温度可以根据人体温度进行动态调节,使整个手术过程中不会觉得太热。

VTT公司的首席科学家Pekka Tuomaala说:“当医院的病人被问及他们最不愉快的经历时,最常见的答案是感到冷,而疼痛只是排在第二的。”

俄亥俄州立大学电子科学实验室正在对功能性电子纺织品进行研究。他们把电子织物做成一个类似帽子的东西,这种帽子可以通过织物天线(如Intel Edison开发平台)来收集、存储和传输数据,通过分析数据可以帮助判断或治疗癫痫。研究人员也在正研究智能绷带,以告诉医生皮下组织是否已经痊愈。

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图3:俄亥俄州立大学正在致力于将天线和电路集成到服装中,以用于未来的医疗保健监测和治疗。(来源:俄亥俄州立大学)

“我们的目标是让产品理解我们的想法。想象一下,如果我们能让我们的大脑再生,要做到这一点,我们需要了解大脑,并了解有多少神经元是在一起工作的”,俄亥俄州立大学电子科学实验室主任John Volakis说。“这些智能的衣服可以让癫痫病人在发作前坐下来,或者让他帕金森病人体内的细胞激活或停用。”

同时,布里斯托尔大学正在从事柔性机器人服装的研究,这种服装可以帮助易跌倒的人群避免跌倒,当他们站立或行走时,服装可以给予他们仿生力量(图4)。智能服装涉及纳米科学、3D制作、电刺激以及全身监测技术。研究人员认为,这项技术最终可能会让轮椅上的人们站起来。

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图4:布里斯托尔大学的研究人员正在努力将柔性机器人融入服装,以帮助那些容易跌倒的人们。(来源:布里斯托大学)

“人们现在所使用的许多设备会引起流动问题,比如会引起或加重血液循环不良、皮肤损伤或压力敏感性下降,每一项都影响健康”,布里斯托尔大学机器人工程学系教授Jonathan Rossiter博士说“可穿戴柔性机器人技术将有潜力改善这些问题,同时也降低医疗成本。”

瑞士的Empa研究中心正在将光纤集成到电子纺织品中,用来监测皮肤的血液循环,防止褥疮的发生。他们还创造了一种可以用来测量心率的帽子。这些智能服装可以被洗涤,它们将成为医院的理想用品。

研究人员认为,这种技术最终将可以用来测量氧含量的饱和度,组织压力或呼吸速率。电子纺织品也可以转化为化学或生物传感器,如Maxim将他们用来分析体液或蒸汽所。Maxim的超低功率和安全评估开发板是基于Maxim的ARM Cortex-M超低功耗MCU的。ARM Cortex-M4F系列MCU是穿戴式医疗和健康项目的理想选择,因为它们的架构具有超低功率、高效率的信号处理功能,并且简单易用。MAX30102脉搏血氧计和心率传感器是一种集成的脉搏血氧仪和心率监测模块,它包括内部发光二极管、光电探测器、光学元件和低噪音的电子器件。

智能服装的未来

学术研究机构正在努力的发展智能服装,并正在致力于商业化,高科技面料以及微电子技术的进步,正在为与健康相关的电子纺织品提供更多的发展机会。

目前,很多想法已经着手进行试点,比如用于缓解慢性背痛的T恤、用来监测慢性肺部疾病患者呼吸速率的衬衫、用于监测孕妇子宫收缩和胎儿心率的腹带、供糖尿病患者使用的压力监测袜子以及为严重心脏病患者提供的带有电击功能的衬衫。

一些专家认为,在医院里,智能衣服将有望完全取代用于追踪心率、血压和氧气含量的床边监测设备。

最近,在智能服装中整合手势识别的想法已经引起了Google – Levi项目组的兴趣,他们为自行车骑行者提供了具有手势识别功能的夹克。许多专家认为手势识别能够在智能服装领域找到它的一席之地,这项技术可以供截瘫患者使用,也可以为患有中风或心脏病的老人或者躺在病床上的老年人使用。在未来的五年里,这些价格低廉、技术成熟的产品将很难被超越。

触觉反馈或在用户界面中使用触摸感知,这在电子纺织品中有将很大的前景,因为它可以很容易小型化,不需要移动机械部件。触觉反馈将被用于电动肌肉刺激(EMS),它可以感知病人肌肉所产生的从小到大的力量。有触觉反馈技术的智能衣服可以在任何时候,用在身体的任何部位,用来刺激肌肉运动或康复。很多涉及触觉反馈的智能服装项目,都在研发过程中,比如Novasentis,预计将于今年晚些的时候发布。

原文链接:http://www.mouser.com/applications/healthcare-may-reside-in-smart-clothing/

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专注于新产品引入 (NPI) 并提供极丰富产品类型的业界顶级半导体和电子元器件分销商贸泽电子(Mouser Electronics)即日起开售 Maxim IntegratedMAX30004 生物电势模拟前端(AFE)。MAX30004 AFE是针对可穿戴医疗应用的单通道生物电势心率监测AFE解决方案,可用于心率胸带和单导联无线心率贴片等产品,在剧烈运动时,无需在微控制器中提取和处理心电图 (ECG) 数据。

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贸泽电子供应的Maxim MAX30004 AFE提供单个生物电势通道来测量心跳的 R-R波间距以确定心率。此生物电势通道提供静电放电(ESD)保护、电磁干扰(EMI)滤波和DC导联脱落检测。MAX30004为内置的自测功能提供广泛的校准电压,并且其软上电顺序可以确保没有大的瞬态信号注入电极。

MAX30004的全差分输入结构提供超过100 dB的高共模抑制比(CMRR)和超过500 MOhm的高阻抗,提高了共模到差模的转换能力。0.7 mA的导联开通功能允许AFE的微控制器保持深度睡眠模式,同时让实时时钟关闭,直至检测到有效的导联条件为止。可配置的中断允许微控制器仅在每次心跳时唤醒,从而降低了整体系统功耗。

MAX30004具有高达±650 mV(典型值1.8 V)的直流偏压范围 ,能够与各种电极搭配使用。此器件的功耗超低,在1.1 V电压下仅为85 mW,因此其电池寿命比竞争对手更长。

有关更多信息,敬请访问http://www.mouser.com/new/maxim-integrated/maxim-max30004-afe/

贸泽电子拥有丰富的产品线与卓越的客服,通过提供采用先进技术的最新产品来满足设计工程师与采购人员的创新需求。我们库存有全球最广泛的最新半导体及电子元件,为客户的最新设计项目提供支持。Mouser网站Mouser.cn不仅有多种高级搜索工具可帮助用户快速了解产品库存情况,而且网站还在持续更新以不断优化用户体验。此外,Mouser网站还提供数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息和工程用工具等丰富的资料供用户参考。

关于贸泽电子 (Mouser Electronics)
贸泽电子隶属于伯克希尔哈撒韦集团 (Berkshire Hathaway) 公司旗下,是一家屡获殊荣的一流授权半导体和电子元器件分销商,专门致力于以最快的方式,向设计工程师和采购人员提供业界顶尖制造商的最新产品。作为一家全球分销商,我们的网站mouser.cn能够提供多语言和多货币交易支持,分销来自超过600家生产商的400多万种产品。我们通过遍布全球的22个客户支持中心为客户提供一流的服务,并通过位于美国德州达拉斯南部,拥有最先进技术的7万平方米仓库向全球170个国家/地区,超过55万家客户出货。更多信息,敬请访问:http://www.mouser.cn

关于Maxim Integrated
Maxim是模拟集成领域的领先企业,专注于为移动、工业等应用提供更紧凑、更智能、更具能源效率的模拟方案。

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进入2017年之后,业界对于可穿戴设备的探讨似乎就进入了一个相对稳定阶段。和逐步消退的热度形成对比的是,大家对于可穿戴设备认知的逐渐成熟。目前我们所能看到的可穿戴设备的类型主要是以智能手表和手环为主,辅以智能眼镜、耳机甚至指环这样的设备,也许更多新的可穿戴设备还会继续增加,但是从开发者到用户,目前对于可穿戴设备的期望都已经相对清晰了。

作为设计师和开发者,可穿戴设备给它的创造者们所提出的要求并不低。可穿戴设备有着它独有的局限性,较小的屏幕,低信息密度,有限的电池寿命使得设计者必须带着镣铐跳舞。可穿戴设备的用例大多高度的场景化,这意味着,它和其他的数字产品在设计方法上有差异。

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可穿戴设备的独特性和开发难度在诞生之初就体现的淋漓尽致,在这篇关于Apple Watch 的文章当中,你就能体会到这类产品的研发难度:《传奇再现!设计师不得不读的APPLE WATCH 秘史》

作为设计师,我们在未来很难绕过可穿戴设备,所以,今天的文章帮你总结了为可穿戴设备设计的11个关键技巧。

1、一目了然的可见性设计

可穿戴设备和我们常用的手机、电脑都不一样,小巧的屏幕和多样的使用场景,要求它的UI界面用户能够一瞥就能准确快速地获取信息。所以说,一目了然(Glanceability)是硬性的需求,它是用户和可穿戴设备之间短促快速的交互的基础。

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健身跟踪器借助闪烁的灯光来传递信息。

可穿戴设备上一目了然的可见性设计,不仅仅是要将视觉反馈精简到最低的程度,它更多讲究的是在特定的时候给用户提供确定的、有用的内容。

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保持界面清晰简洁、易于阅读。

由于屏幕尺寸有限,设计师应该针对最关键的信息进行设计,让用户能在不到5秒的时间内消化全部关键的内容。

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智能手表就是个典型,界面和交互都围绕着用户抬手一看的这一瞬间的交互。OneFootball 的Apple Watch 应用就是个好例子,用户一抬手就能看到开球时间和现场比分以及当前进度。

2、为上下文场景而设计

可穿戴设备通常内含一系列专业的传感器,用来计算,也是用来判断场景的,如果你想要呈现一目了然的信息,需要依靠这些传感器来获取环境信息,识别使用场景,计算对应的数据,在此基础上呈现内容。

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及时的信息呈现是可穿戴设备的UI设计的基石。Android Ware 版的 Google Now 就是充分利用环境信息的案例。

3、为轻量级交互而设计

虽然桌面端和手机APP通常都会涉及到相对较长的用户流程,但是可穿戴设备所涉及到的交互大多是快速、高效、见缝插针的。短促是可穿戴设备交互的特色,如果某个流程需要超过10秒来完成,那么你得重新考虑整个流程了。尽量保持界面简单,让交互快速且足够直觉。举个例子,用智能手表收到消息之后,打字是很不现实的选择,最好使用语音输入。

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4、保持简单

考虑到可穿戴设备的独特属性,根据著名的KISS 原则(Keep it simple and stupid),我们应该保持克制,抵御住向其中塞入更多功能和信息的欲望。

向其中塞入更多的交互和信息会破坏体验,相反,专注于简单的用例,强化流程帮助用户快速完成任务,会让可穿戴设备的可用性更优秀。

让交互尽量简单,突出单个任务的执行性,一次完成一个任务是可穿戴设备的基本交互规则。

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Shazam 的用例就很典型,尽量减少用户操作的步骤,以完成单一任务为基本准则。

5、设计极简的界面

设计极简的界面并不是出于对风格的需求,而是因为用户需要能够直观读取其中的内容,并且能够轻松地同界面进行交互。 从某种意义上来说,极简风是可穿戴设备界面的理想选择。从色彩到排版设计均应该如此:

·鲜明的对比。对比度在小尺寸屏幕上尤其重要,它是可读性的基础,尤其是一些关键性的因素。
·简约的字体排版。具有均匀笔触的非衬线体字体是可读性最高的字体,故而是首选。
·元素之间留足空间。屏幕尺寸有限,合理的空间控制能够让内容最大化地呈现给用户,你需要基于功能和可用性来做调整。

当你把上面的三件事情做好的时候,你的设计在小屏幕上看起来应该还挺不错的。

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Runtastic 的APP在色彩的对比度控制上就很符合标准,在黑色的背景下显得足够突出。元素之间的对比度让内容的可读性很高。

6、最大限度地降低干扰

即使是在大屏幕智能手机上,系统通知也常常会影响和干扰用户。在可穿戴设备上,这种干扰带来的破坏性体验会被放大。智能手机在口袋里面发出提示音是一回事,而智能手表在你的皮肤上震动带来的体验,会更加令人烦躁。

可穿戴设备会长时间地和人接触,它的通知对于用户而言是无法忽略的。

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为可穿戴设备设计通知需要遵循几个简单的规则:

·尽量将非关键的通知给过滤掉,推送信息的频率尽可能低。不要让可穿戴设备干扰用户的正常生活和工作。

·当你需要实时通知用户的时候,你应该确保通知是重要的、高质量的。你可以以更加令人惊喜的方式来推送通知,如果你了解用户的实际需求的话,这样带来的影响就是积极的。

·允许用户可以配置通知的时间和类型,允许他们在需要的时候轻松禁用通知,或者选择更适合他们自己的通知方式(震动,闪屏等)。

7、更多隐私设置

相比于智能手机和电脑,可穿戴设备和用户更加亲近。所以可穿戴设备需要更加人性化,它也需要显示用户的个人信息,私人的对话和健康信息都存储在其中。但是和隐藏在口袋中的智能手机不同,诸如智能手表这样的可穿戴设备是外在佩戴的,相关的隐私信息非常容易暴露。所以,对于这个问题,有几个建议:

·了解可穿戴设备的显示内容和显示方式。允许默认不显示,或者只显示特定的条目,点击打开之后再显示更多信息。

·通知系统也沿用类似的思路,默认震动,之后再作显示。

8、充分利用视觉之外的界面和交互

“最好的界面是没有界面”这个说法其实尤其适合可穿戴设备。过分关注视觉设计,我们会很容易被自己限制住。尝试充分利用声音和震动等非视觉媒介来传递信息,使用语音来输入等。

9、同其他设备进行交互很重要

可穿戴设备不应该是孤立的存在。你应该让可穿戴设备同其他的智能设备应该是连为一体的一套数字生态系统,并且可穿戴设备应该可以从整个系统中受益的。例如智能手表应该能够通过手机来控制,智能手表可以作为健康数据搜集的终端,从而输出到其他的设备上,帮助医生和用户本人更好地了解健康状况。

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10、确保能够离线使用

就像其他的数字设备,可穿戴设备如果离开网络就不能使用是绝对不被允许的。当它离开网络支持的时候,应该能够保留核心的功能。

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Apple Watch 没有离线地图功能,当它没有网络连接的时候,就无法加载。

11、探索可行性

在设计可穿戴设备上的APP的时候,应该充分考虑到平台的限制,并且有前瞻性地计划、探索更多的可能性。钻研SDK中所提供的额外的功能,哪些构思是可能在后续升级中实现,哪些不行。比如下面的Apple Watch 的动效设计就很棒,但是其中有一些是不太可能在实际开发中做出来的。

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结语

今天所谈及的这些设计的规范可能并不复杂,虽然它们都只是方向性的,但是对于可穿戴设备而言非常重要。

原文地址:medium
原文作者:Nick Babich
优设译文:@陈子木

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由于体积和尺寸都很小,对日益增长的可穿戴物联网市场来说几乎没有现成的印刷电路板标准。在这些标准面世之前,我们不得不依靠在板级开发中所学的知识和制造经验,并思考如何将它们应用于独特的新兴挑战。有三个领域需要我们特别加以关注,它们是:电路板表面材料,射频/微波设计和射频传输线。

PCB材料

PCB一般由叠层组成,这些叠层可能用纤维增强型环氧树脂(FR4)、聚酰亚胺或罗杰斯(Rogers)材料或其它层压材料制造。不同层之间的绝缘材料被称为半固化片。

可穿戴设备要求很高的可靠性,因此当PCB设计师面临着使用FR4(具有最高性价比的PCB制造材料)或更先进更昂贵材料的选择时,这将成为一个问题。

如果可穿戴PCB应用要求高速、高频材料,FR4可能不是最佳选择。FR4的介电常数(Dk)是4.5,更先进的Rogers 4003系列材料的介电常数是3.55,而兄弟系列Rogers 4350的介电常数是3.66。

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图1:多层电路板的叠层图,图中展示了FR4材料和Rogers 4350以及核心层厚度。

一个叠层的介电常数指的是叠层附近一对导体之间的电容或能量与真空中这对导体之间电容或能量的比值。在高频时,最好是有很小的损耗,因此,介电系数为3. 66的Roger 4350比介电常数是4.5的FR4更适合更高频率的应用。

正常情况下,可穿戴设备用的PCB层数从4层到8层。层的构建原则是,如果是8层PCB,它应能提供足够的地层和电源层并将布线层夹在中间。这样,串扰中的纹波效应就能保持最小,并能显着减少电磁干扰(EMI)。

在电路板版图设计阶段,版图安排方案一般是将大块地层紧靠电源分配层。这样可以形成很低的纹波效应,系统噪声也能被减小到几乎为零。这对射频子系统来说尤其重要。

与Rogers材料相比,FR4具有较高的耗散因数(Df),特别是在高频的时候。对于更高性能的FR4叠层来说,Df值在0.002左右,比普通FR4要好一个数量级。不过Rogers的叠层只有0.001或更小。当将FR4材料用于高频应用时,就会在插损方面产生明显的差异。插损被定义为在使用FR4、Rogers或其它材料时信号从A点传输到B点的功率损失。

制造问题

可穿戴PCB要求更加严格的阻抗控制,对可穿戴设备来说这是一个重要的因素,阻抗匹配可以产生更加干净的信号传输。在较早前,信号承载走线的标准公差是±10%。这个指标对今天的高频高速电路来显然不够好。现在的要求是±7%,在有些情况下甚至达±5%或更小。这个参数以及其它变量会严重影响这些阻抗控制特别严格的可穿戴PCB的制造,进而限制了能够制造它们的商家数量。

采用Rogers特高频材料做的叠层的介电常数公差一般保持在±2%,有些产品甚至可以达到±1%,相比之下FR4叠层的介电常数公差高达10%,因此,比较这两种材料可以发现Rogers的插损特别低。与传统的FR4材料相比,Rogers叠层的传输损耗和插损要低一半。

在大多数情况下,成本最重要。然而,Rogers能以可接受的价位提供相对低损耗的高频叠层性能。对商业应用来说,Rogers可以和基于环氧树脂的FR4一起做成混合PCB,其中一些层采用Rogers材料,其它层采用FR4。

在选择Rogers叠层时,频率是首要考虑因素。当频率超过500MHz时,PCB设计师倾向于选择Rogers材料,特别是对射频/微波电路来说,因为上面的走线受到严格的阻抗控制时,这些材料可以提供更高的性能。

与FR4材料相比,Rogers材料还能提供更低的介电损耗,其介电常数在很宽的频率范围内都很稳定。另外,Rogers材料可以提供高频工作要求的理想低插损性能。

Rogers 4000系列材料的热膨胀系数(CTE)具有优异的尺寸稳定性。这意味着与FR4相比,当PCB经历冷、热和非常热的回流焊循环时,电路板的热胀冷缩可以在更高频率和更高温度循环下保持在一个稳定的限值。

在混合叠层情形下,可以轻松地使用通用制造工艺技术将Rogers和高性能FR4混合在一起使用,因此也相对容易实现高的制造良率。Rogers叠层不需要专门的过孔准备工序。

普通FR4无法实现非常可靠的电气性能,但高性能FR4材料确实有良好的可靠特性,比如更高的Tg,仍然相对较低的成本,并能用于种类广泛的应用,从简单的音频设计到复杂的微波应用。

射频/微波设计考虑

便携式技术和蓝牙为可穿戴设备中的射频/微波应用铺平了道路。今天的频率范围正变得越来越动态。还在几年前,甚高频(VHF)被定义为2GHz~3GHz。但现在我们可以见到范围在10GHz到25GHz之间的超高频(UHF)应用。

因此对可穿戴PCB来说,射频部分要求更加密切地关注布线方面的问题,要把信号单独分开,使产生高频信号的走线远离地。其它考虑因素包括:提供旁路滤波器,足够的去耦电容,接地,将传输线和回路线设计的几乎相等。

旁路滤波器可以抑制噪声内容和串扰的纹波效应。去耦电容需要放置在更靠近承载电源信号的器件引脚旁边。

高速传输线和信号回路要求在电源层信号间布置一个地层,用于平滑噪声信号产生的抖动。在较高的信号速度时,很小的阻抗失配都会造成不平衡的传输和接收信号,从而产生失真。因此必须特别留意与射频信号有关的阻抗匹配问题,因为射频信号具有很高的速度和特殊的容限。

射频传输线要求控制阻抗以便将射频信号从特定的IC基底传送到PCB。这些传输线可以在外层、顶层和底层实现,也可以设计在中间层。

在PCB射频设计版图期间使用的方法有微带线、悬浮的带状线、共面型波导或接地。微带线由固定长度的金属或走线以及位于正下方的整个地平面或部分地平面组成。一般微带线结构中的特征阻抗从50Ω到75Ω。

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图2:共面波导可以在射频线路和需要走线靠很近的线路附近提供更好的隔离。

悬浮带状线是另外一种布线和抑制噪声的方法。这种线由内层上固定宽度的布线和中心导体上下的大块地平面组成。地平面夹在电源层中间,因此可以提供非常有效的接地效果。对可穿戴PCB射频信号布线来说这是优选的一种方法。

共面波导可以在射频线路和需要走线靠近的线路附近提供更好的隔离。这种介质由一段中心导体和两旁或下方的地平面组成。传送射频信号的最佳方法是悬浮带状线或共面波导。这两种方法可以在信号和射频走线之间提供更好的隔离。

在共面波导两边推荐使用所谓的“过孔围栏”。这种方法可以在中心导体的每个金属地平面上提供一排接地过孔。在中间运行的主要走线在每边都有围栏,因此给返回电流提供了到下面地层的捷径。这种方法可以减少与射频信号高纹波效应有关的噪声电平。4.5的介电常数保持与半固化片FR4材料相同,而半固化片—从微带线、带状线或偏移带状线—的介电常数约3.8到3.9。

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图3:在共面波导的两侧推荐使用过孔围栏。

在使用地平面的某些设备中,可能会使用盲孔来提高电源电容的去耦性能,并提供从器件到地的分流路径。到地的分流路径可以缩短过孔的长度,这样可以达成两个目的:你不仅创建了分流或地,而且可以减少具有小块地的器件的传输距离,这是一个重要的射频设计因素。

来源: 电子工程专辑

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当你想到可穿戴产品时,浮现在你脑海中的是什么样的景象呢?也许是一个年轻女性在长距离奔跑中随时跟踪跑步的英里数。也许是一个中年人在健身游戏中随时查看下一个动作。或者是一名独自生活,想要生活能够自理的年长者。你是不是对最后一个情景感到有点儿惊讶呢?

在考虑老年人看护方面的其它可替代选择时,可穿戴技术表现出大量的商机。在认识到这一需求和商机后,Chris Skalka将他的创客才能付诸实施。用于年长者看护的老年人资产跟踪器 (EAT) 在老年人的运动速度突然加快,或发生“自由落体”时进行侦测,并且通过文本信息通知预先设定的亲属。此外,这款设计在器件的侧面特有一个按钮,自动唤醒系统,并将GPS坐标发送给设定的号码。图1中显示的这个可穿戴设备在使老年人亲属安心的同时,也使得年长者的生活能够自理。“我觉得这个设备不同于大多数目前的资产跟踪器,这是因为它使得用户能够提供他们自己的SIM卡/手机套餐,并不是通过资产跟踪器来强制定制一个服务套餐”,Chris说。

在设计器件时,Chris已经想到了控制器。“我曾经就职过的一家工程公司将他们的大多数设计的重点放在了TI的超低功耗MSP430G2553 微控制器 (MCU) 方面,所以我用一年的时间深入研究了MSP430 MCU,并把学到的知识融入我个人的电子器件项目中。”

Chris知道,如果控制器只在跌倒事件发生时才激活的话,他就需要一个支持较长空闲时间的控制器。Chris解释说,“[MSP430 MCU] 的低功耗架构非常适合于大部分时间处于深度睡眠状态的资产跟踪器。

价格低廉且随手可得的开发板使我能够在制造定制印刷电路板之前非常快的进行原型机设计。“

为了使MSP430 MCU的架构变得更加完整,Chris选择了SN74LV4052A复用器和TPS79333低压降稳压器。借助这款复用器,Chris能够将MSP430 MCU上的一个硬件UART变为4个UART—对于这么小巧而又复杂的器件来说,这可真是一件了不起的事情。在谈到为什么使用TPS79333时,Chris说到,“[这款LDO] 现在已经成为我的必备LDO。它价格不高、小巧,对于低功耗运行是再合适不过了。”

那么Chris下一步要做什么呢?住宅改进与提升—我们谈的可不是修理厨房水槽。“我已经研究ESP8266 Wi-Fi模块有一点时间了—所以,我将有可能将这个模块应用到我住所内的某些类型的传感器网络中。”除了是一名资深的设计人员外,Chris还是一名狂热的标靶射击爱好者、家庭酿酒师、焊工和园艺师。

老年人资产跟踪器在Hackaday上赢得了“Bluefruit LE Sniffers”奖。你可以在他的Hackaday简介中找到与Chris Skalka和EAT相关的更多信息。

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