作者:Joseph Downing, 贸泽电子

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开发心率监测器

使用Mbed

如果你已经拥有Mbed账号,使用贸泽提供的 HRM Mbed代码仓并将其中的代码导入到你的编译器。

对于新手用户:

1、访问Mbed.org网站

2、点击Mbed OS链接会转到开发者页面

3、点击“Log in/Sign up”,输入相关信息进行登录/注册

一旦注册你可以选择高亮的“Compiler”链接来开始一个新的项目或者访问Mouser HRM Mbed repository链接将其中的代码导入你的编译器。通过点击编译器右上角的按钮你可以进行选择、查看、添加或者改变相应的目标平台。在Mbed你会发现其他几种Maxim产品和软件示例也是有支持的。

连接开发板卡和参考设计

将MAX32630FTHR和MAXREFDES117连接起来只需要很少的连接线,使用面包板会更加的简单,为此请遵循如下步骤:

1、将心率传感器的SCL和SDA管脚连接到MAX32630FTHR的P3_5和P3_4管脚,将INT管脚连接到P3_0(图3)

2、心率传感器的VIN输入范围在2.5到5.5V之间,我建议从3.3V或电池的SYS管脚引入电源,在尝试使用5V时我已经遇到了多个问题。

3、连接地线

“图3:Maxim
图3:Maxim MAX32630FTHR#手册中提供的管脚说明

对开发板卡进行编程

对开发板卡进行编程就像将文件从一个文件夹拖放到另一个文件夹那样简单,当你将代码上传到板卡时,MAX32630FTHR模块还提供了调试接口。

我们按如下步骤开始:

1、用10-Pin的连接器将接口板卡与MAX32630FTHR相连接,尤其要注意Pin1管脚。

2、将标记有HDK的USB接口连接到PC的USB端口上,此时会自动安装驱动,根据你使用的DAPLINK模块的不同,它可能有多个接口或者只有一个接口(见图4或图5),当驱动程序完成安装后,在电脑文件资源管理器中会显示标记为DAPLINK的新驱动器。

3、采用micro USB或者JST电源连接器为MAX32630FTHR模块提供电源。

“图4:多个输入接口的DAPLINK模块”
图4:多个输入接口的DAPLINK模块

“图5:只有单个输入口的DAPLINK模块”
图5:只有单个输入口的DAPLINK模块

一旦你建立了与开发板卡的连接和接口,你就需要编译代码生成.bin文件,然后将其下载到MAX32630FTHR中,Mbed编译器操作如下:

1、点击“编译”或者使用下拉菜单选择你的操作。一段时间后就会在Downloads文件下就会生成.bin文件。

2、打开Downloads文件夹找到.bin文件

3、打开一个新的资源管理器窗口,在这个窗口内你会看到一个新的DAPLINK驱动器的盘符,这就是开板卡的接口

4、将新创建.bin文件拖动或者复制到DAPLINK驱动器上,这是就会开始向开发板下载程序

当我们在下载程序过程中,DAPLINK板卡上的LED灯应该会快速的闪烁,完成后LED灯会熄灭或者保持缓慢且稳定的闪烁

5、按下MAX32630FTHR上的复位按钮重新启动执行新下载的程序

板卡复位时,板卡上红色的LED灯会亮起并且保持稳定。

云服务

登录后你会发现打开的是控制面板(Dashboard)页面,有很多选项供你选择,比如查看所有的设备、查看可用的事件、查看个人文件、查看账户有多少信用值。需要注意的是对于任何项目来说有些内容是必需的,比如API token、设备和变量ID。

查看API Tokens

想要查看API tokens,需要在页面的右上方点击“Profile”按钮,然后选择“API Credentials”,此时会在左侧下拉菜单显示所有的API token信息,对于每个用户API token都是唯一的,这是在创建账户时生成的,这是为了防止你设备的数据发送给错误的账户。

添加设备

当添加变量时会为每个新的设备创建变量ID,首先我们从添加设备开始:

1、确认你在“设备页面”(图6)
2、点击页面右上角的黄色的圆圈(内有加号)
3、给设备重命名,从“My Data Source”改为任何你想要的名字
4、点击页面的任意位置完成设备的添加,此时会弹出一个对话框提示创建成功

“图6:从“设备”页面开始”
图6:从“设备”页面开始

这个“设备”代表你的一个项目,一个账号下支持多个项目。“变量ID”用来帮助每个设备来识别特定的传感器、数据输入源以及所处的位置。这有利于我们维护多个项目和以及独立的或者共享的传感器设备。

创建变量ID

创建变量ID与创建设备非常的类似:

1、点击“新建设备”按钮,这时会打开此设备的详细页面,允许我们创建个人的变量

2、点击页面右上方的黄色圆圈(内有加号标记)创建新的变量

3、对变量进行重命名

4、点击页面的任何位置,会弹出一个对话框表明你成功创建了ID

点击这个新的按钮会弹出“创建变量”页面(图7),在左侧会显示多条信息,你可以编辑左侧中大部分信息,其中包括API标签、允许的范围、测量单位和相似度(重要的一项就是ID,它用来标识你的程序应该放在的位置)。

“图7:Ubidots
图7:Ubidots “变量”显示

我强烈建议大家查看教程文档,当鼠标放在“Profile”按钮上时会有下拉菜单,其中就包括指导手册。文档中提供了非常多的信息和主题,涉及MQTT、HTTP API接口等物联网应用技术。

Android Studio软件

我们需要向的接口才能将数据从Maxim板卡和传感器传输到云服务,这可以借助移动设备(比如平板电脑、智能手机)来完成。对于这个项目我们采用的是安卓框架,使用Android Studio创建App应用,并将心率传感器采集的数据进行可视化处理。

为了节省时间,我使用“BluetoothLeGatt”这个示例进行演示,这个应用我们可以浏览可用的蓝牙设备,连接这些设备并且查看有哪些有用的资源。这对于创建自己的蓝牙应用有非常好的借鉴作用(如果你选择设计相关应用的话)。Ubidots同样提供了相关文档来说明如何使用App连接和发送数据到云服务,我建议大家查看API token和变量token相关的说明。

导入代码

1、从Mouser的Gihub上下载BLEHR.7z文件,这对于导入Android Studio是必需的。由于文件大小的限制,这个项目的源代码被分为两部分,你需要将它们分别进行解压。

2、通过在启动界面点击“打开已存在的Android Studio项目”或者点击“文件”菜单就可以将代码导入Android Studio,下面你可以看到我如何改变和实现Ubidots API接口的(图8)

(注:在编译程序前修改token密钥,前面已经提到过了,如果编译前没有进行修改,你的数据将不会显示在Ubidots上)

“图8:安卓Studio
图8:安卓Studio Ubidots API token代码

编译App

为了测试和调试代码,你可以进行如下操作:

● 编译应用程序并下载到开发板卡中,如果你不想在更新API和变量token后修改代码可以此方法

● 使用“开发者模式”,这种方式支持USB调试,你可以将你的手机或者平板电脑作为虚拟测试平台,将其与你的开发PC进行连接,借助网络搜索或者Android Studio的教程你可以找到如何进入“开发者模式”的说明。

如果你决定使用一个设备作为开发工具,那么只需要点击菜单栏的“Run”按钮,然后选择你的设备开发编译和运行App。一旦加载完成应用程序就会在你选择的设备上运行起来。(注:你不可以在虚拟设备上运行这个应用,因为虚拟设备不支持蓝牙)

如果你打算进行安装调试,你需要先编译程序,选择“Build”然后是“Build APK(s)”,这会创建一个新的文件,你可将其拷贝到你选择设备上进行安装。

虽然如果你不打算对软件进行更改,那么安装应用程序是一个很好的选择,但是我建议选择一个设备作为测试平台。在“USB调试模式”下你可以进行更新、重编译、重复执行代码,这对于编程和调试非常有用。

进行系统组装

当你完成程序的加载并且启动后,在界面的右上方你会看到“Scan”按钮,点击它可以扫描查看附近范围内所有蓝牙设备,如果你对MAX32630FTHR和MAXREFDES117进行了正确的连接和编程,当设备启动后在设备列表中你会看到一个标有HRM的设备。

准备好查看结果了吗?

1、确保启动了位置访问权限,如果你不确定此选项的位置,请参阅设备的在线帮助或者文档
2、选择HRM打开一个新的窗口,你会看到一些数据:设备地址、当前状态、数据输出
3、点击右上方的“连接”按钮允许连接到这个设备,在下拉菜单中你可以查看对应的服务列表
4、最后选择“心率测量”,你会看到界面上开始显示数据(图9)

“图9:当你选择“心率测量”选项时,你就会看到屏幕上显示数据”
图9:当你选择“心率测量”选项时,你就会看到屏幕上显示数据

如果你更新了代码,包括正确的API和变量token,那么你现在应该能够登录你的Ubidots账户查看该设备上传的数据,点击“设备”选项。

现在你可以创建一个控制面板,根据你的要求可以按照不同的格式来查看数据信息(图10)。Ubidots最近推出了一个beta版本的Android App,你可以选择在智能手机或者平板电脑上进行安装来查看你的设备和数据(图11)。

“图10:Ubidots安卓应用控制面板”
图10:Ubidots安卓应用控制面板

“图11:Ubidots网页控制面板”
图11:Ubidots网页控制面板

总结

可穿戴设备是非常有用的工具,它可以为我们的日常生活添加很多的便利。这些设备能够提供给用户各种反馈数据,比如睡眠质量、最大摄氧量(VO2)、运动水平、步行和跑步节奏等数据。此外,它们还可以帮助你监测你的健康情况,并且可以将你的信息(比如每日血压、血糖水平)发动给医疗机构进行沟通。

设计可穿戴设备需要添加外围设备来进行感应、显示、存储和检索数据,Pegasus Rapid开发平台集成了关键的外设设备,大大简化了系统开发,700-MAXREFDES117#心率监测器参考设计也可以提供直接的借鉴作用。Mbed OS、Ubidots和Android Studio软件分别针对基于云编程、云服务和云接口等技术进行了完善。

运行的怎么样?把你的情况告诉我们!你可以在FacebookTwitterLinkedInInstagramGoogle+上将你的项目和想法分享给我们。

关于作者

Joseph Downing已经在贸泽电子(Mouser Electronics)工作了六年时间,在2011年他作为技术支持专家加入公司,后台转为技术内容专家。Joseph在电子行业有20多年的从业经验,曾在很多公司任职,比如Intel、Radisys和Planar等。作为一名极客,Joseph帮助管理Mouser.com的应用和技术网站,并且为这些站点和贸易展览会提供技术项目和材料支持。

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【原创深度】创建可穿戴心率监测器(一)

原文链接:https://www.mouser.com/applications/creating-a-wearable-heart-rate-monitor/

该发布文章为独家原创文章,转载请注明来源。对于未经许可的复制和不符合要求的转载我们将保留依法追究法律责任的权利。

围观 18

作者:Joseph Downing, 贸泽电子

近年来可穿戴设备在多个市场呈现爆炸性增长,这很大程度上是因为它们提供的便利性以及大量的相关信息。运动跟踪器(比如三星的Gear Fit 2)、医疗设备(比如Qardio Arm血压剂)以及安德玛(Under Armor)推出的UA Speedform Gemini 3智能跑鞋就是其中一些例子。这些设备能够为用户提供各种反馈信息,包括睡眠质量、VO2水平(氧摄入量)、运动水平、步行和跑步节奏等数据点。

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设计可穿戴设备需要添加外围设备来感应和显示各类数据,同时需要在云端存储和检索数据。本项目采用美信公司(Maxim)推出的Pegasus Rapid开发平台,开发板上集成了关键的外围设备以及Maxim推出的700-MAXREFDES117#心率监测器参考设计,这大大的简化了开发流程。此外我们采用了Mbed操作系统(OS)用于云编程,Ubidots云服务以及Android Studio软件实现云应用接口。

如果你是一名设计师(或“DIYer”),借助这些集成特性、参考设计和云编程工具会让你在起跑线上领先一步。下面的内容标注了必需的工程材料、帮助你进行编程、组装开发板卡、编译和下载安卓App、将数据传输的云服务。

项目材料和资源

我们建议在开始此项目前收集好如下材料和资源:

项目材料清单(BOM)

在Mouser.com官网上查看该项目需要的清单,包括各种组件:

项目源代码

硬件:

  • 电烙铁
  • 跳线或普通导线
  • 助焊剂
  • 接头引脚
  • 面包板
  • 数字万用表(可选)
  • 示波器(可选)
  • 外围扩展设备(可选)

账号和软件

  • 一个Ubidots云服务账号
  • Mbed.org官网账号
  • Android Studio开发软件

项目技术概述

这是一个针对于有编程和焊接经验工程师和DIY爱好者的高级开发项目,设计这个项目我们采用了如下技术:

Maxim(美信)MAX32630FTHR Pegasus开发平台

驱动这个项目的是Maxim公司全新推出的MAX32630FTHR Pegasus开发平台(图1)。集成了MAX32630 Arm Cortex M4F微控制器以及MAX14690 PMIC电池充电管理器件,这个平台会协助工程师进行快速的原型设计。该功能丰富的板卡包含多个集成外设,比如加速度计/陀螺仪、双模式蓝牙以及SPI、I²C、UART、66个GPIO接口等。MAX32630FTHR小巧的外观尺寸与几款现成的扩展板以及标准面包板相兼容,这带来了无限的可能性。如果你对某些内容好奇,我们提供了扩展外设的介绍链接

“图1:Maxim推出的MAX32630FTHR#
图1:Maxim推出的MAX32630FTHR# Pegasus开发平台集成了Arm Cortex M4F微控制器和PMIC电源管理器件

Maxim推出的MAXREFDES117#心率模块参考设计

Maxim流行的MAXREFDES117#心率模块参考设计(图2)非常的小巧,它集成了Maxim MAX30102心率/脉搏、血氧传感器、MAX1921降压型DC/DC转换器以及MAX14595逻辑电平转换器。这种多功能设计可以用于Arduino和Mbed平台实现快速集成。示例提供的固件就适合这两种平台,给用户提供了非常基本的算法,可以确定心率、血氧饱和度等参数,帮助他们快速实现原型设计。

“图2:Maxim流行的MAXREFDES117#心率模块参考设计非常的小巧,集成了心率、脉搏、血氧传感器、降压式DC/DC转换器和逻辑电平转换器”
图2:Maxim流行的MAXREFDES117#心率模块参考设计非常的小巧,集成了心率、脉搏、血氧传感器、降压式DC/DC转换器和逻辑电平转换器

Mbed操作系统(OS)实现云编程

Mbed OS提供了一个方便的基于云编程的工具,帮助简化和加速创建物联网(IoT)平台。Mbed提供的工具帮助实现代码协作、提交并且软件发布,同时帮助维护详细的修订历史记录。使用Mbed非常的简单,创建账号、寻找和选择期望使用的硬件。如果你已经拥有了账号,你可以去Mbed Repositpry(代码仓)将提供的代码导入你的编译器从而开始你的工程。

Ubidots实现云服务

Ubitots为所有希望想开展IoT或云项目的开发者提供了很好的起点。除了有多种开发平台的指导手册,Ubidots为在服务和安卓App之间搭建接口也提供了教程,信用系统能够让你以简单且经济的方式开发和维护你的项目,并且提供了多种方法可以获得更多的信用值。

Android Studio实现云服务接口

你需要相应的接口来实现将数据从Maxim板卡和传感器传输到云端,这可以通过一个移动设备(比如平板电脑、智能手机)来实现。对于这个项目我们使用的是安卓框架,并且借助Android Studio来创建App实现传感器数据的可视化。

关于作者

Joseph Downing已经在贸泽电子(Mouser Electronics)工作了六年时间,在2011年他作为技术支持专家加入公司,后台转为技术内容专家。Joseph在电子行业有20多年的从业经验,曾在很多公司任职,比如Intel、Radisys和Planar等。作为一名极客,Joseph帮助管理Mouser.com的应用和技术网站,并且为这些站点和贸易展览会提供技术项目和材料支持。

原文链接:https://www.mouser.com/applications/creating-a-wearable-heart-rate-monitor/

精彩内容未完待续。。。。。。

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围观 12

买一块健康手表并监测身体参数,并不意味着您生活得更健康。关键在于通过较长时间监测某些身体参数来熟悉这些数值并加以利用,进而调整自己每天的生活以获得改善。这个过程可帮助您了解身体如何工作,以及如何降低长期健康成本。

今天我们将围绕 ADI 最新可穿戴 VSM 平台和所有的传感器技术来讨论,该平台如图 1 所示。此平台旨在提供一个参考,帮助电子设计人员和系统架构师加快开发过程,为专业和医疗市场设计出更新、更智能、更精确的可穿戴设备。

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图 1. ADI 第二代集成式可穿戴设备参考设计

测量什么?如何测量及在哪里测量?

通过可穿戴设备可测量各类重要身体参数。根据总体目标,测量某些参数比测量其他参数会更重要。可穿戴设备在身体上的位置在很大程度上决定了哪些参数可以测量,哪些不能测量。

● 最明显的位置是手腕。我们已习惯于在手腕上戴个物件,所以市场上有很多智能手表和腕戴设备之类的产品。

● 头部也是佩戴可穿戴设备的好地方。例如,各式各样的头戴式耳机和耳塞中含有嵌入式传感器,用来测量心率、氧饱和度、温度等参数。

● 身体上适合可穿戴设备的第三个位置是胸部。第一代心率监护仪就是设计在胸带上,这种生物电位测量方法至今仍是非常精确的技术。不过,现在倾向于使用胸贴,因为胸带穿戴起来不是很舒服。已有多家制造商设计智能胸贴以监测重要身体参数。

根据身体位置,我们不仅要选择哪些参数可以测量,还要选择使用何种技术。

● 针对心率测量,生物电位测量是最古老的技术之一。其信号很强,利用两个或更多电极便可从身体中轻松获取。针对此方法,将电路集成在胸带或耳机中再好不过。然而,在腕部等单一点处测量生物电位信号几乎不可能。必须在产生电信号的心脏周围测量。

● 针对单点测量,光技术更合适。将光线射入组织中,捕捉并测量动脉中血流对光线的反射信号。从接收到的光信号可获知逐搏心跳信息。该技术看似相当直截了当,但事实上存在多项挑战和影响因素会使设计变得困难,比如运动和环境光线。

ADI 第二代可穿戴设备参考平台集成了上述大部分技术。该设备设计戴在手腕上,但您也可以去除软带,将设备贴在胸上,用作智能胸贴。该设备包含支持生物电位测量、光学心率测量、生物阻抗测量、运动跟踪、温度测量的技术,它们全都集成在一个微型电池供电设备中。

ADI 为什么设计该系统?

此类系统的目标是能够评估各种检测技术并轻松测量身体的多个重要参数。测量结果可存储在闪存中,或通过BLE无线连接发送到智能设备。由于测量是同时进行,因此它也有助于发现多个参数之间的相关性。生物医疗工程师、算法提供商和企业家不断寻找新技术、应用和使用场景以期及早检测疾病,避免其发展到晚期,尽量降低疾病对身体的不利影响或损害。

传感器成就 ADI 第二代可穿戴设备

第二代可穿戴设备围绕两片堆叠成三明治形状的 PCB 设计而成。主板包含 低功耗处理器、无线BLE和完整的电源管理部分(包括电池调理和充电)。第二片板支持所有检测技术。

PPG 测量(光电血管容积图)的光学系统围绕 ADI 第二代光学模拟前端 ADPD107 而构建。ADPD 系列的功能框图如图2所示。

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图2. ADPD105/ADPD106/ADPD107功能框图

ADPD107 用作完整收发器,驱动系统中的 LED 并测量光电二极管的返回信号。目标是针对消耗的一定 LED 电流量(电流传输比),测量尽可能高的光电流。输入接收信号链围绕可配置跨阻放大器而设计,其中增益编程有四个步进,最高达到200k。 第二级负责抑制环境光。环境光干扰是一个大问题,尤其是当调制光时,比如使用 LED 或节能灯的固态照明系统。环境光抑制模块含有一个带通滤波器,其后是一个积分器,用以支持同步解调。这是一个关键功能,能够非常有效地抑制外部光干扰。当因为某种原因而不需要环境光抑制级时,可以彻底旁路此模块。

光学系统运用光脉冲。它有三个可编程的LED电流源。最大 LED 电流是可编程的,可以高达 370 mA。脉冲宽度也是可编程的, 可以窄至1 μs。但为了获得良好的信号响应,脉冲宽度应在 2 μs 到 3 μs左右。通常会提供一系列 LED 脉冲,同时模数转换器对与 LED 发射脉冲相关的光电二极管接收信号进行采样。数字引擎能够对多个样本进行平均以提高整体有效位数。

除光学系统外,机械设计对整体性能也有重大影响。该第二代设备的光学元件选择分立器件。这给光电二极管选择和 LED 波长提供了很大的灵活性,并且放宽了机械约束,例如 LED 和光电二极管之间的间距。第二代设备支持两个绿光 LED、一个红光 LED 和一个红外 LED。对于在光学系统设计方面没有太多经验的设计者,集成完整光学模块可能更容易。

关于光电二极管的数量、大小及 LED 波长选择,存在一些不同的考虑。最新模块的开发基于以下考虑:即使安装在塑料窗口 后面,其也能表现出非常好的光学性能。第一代需要一个分离窗口来抑制内部光污染(可视为光串扰)。分离窗口有助于降低直接来自 LED 而未穿透到主体中的光线所引起的直流失调。 这种分离窗口不容易集成,在成本上也没有吸引力。最新系列 (比如ADPD144RIZ和ADPD175GGIZ)已大幅改进,仅使用一个完 整窗口,ILP效应几乎已降至0。

两个 AD8233 模拟前端支持生物电位测量。AD8233(参见图3)是 ADI 第二代单导联 ECG 前端,嵌入了右腿驱动 (RLD) 功能,设计用于在高噪声环境中提取、放大、过滤微弱的生物电位信号。 此器件的重点应用是可穿戴设备、便携式家庭护理系统和训练装备。AD8233 在交流耦合配置下工作。输入级分为 2 个增益级。 第一级的增益有限,后接一个二阶高通滤波器和第二增益级。 此输入模块的总增益为 100 V/V,其中减去了电极半电池电位所引起的失调。AD8233 的第二级结合了一个三阶低通滤波器,它由 一个二阶 Sallen Key 滤波器和一个额外低通滤波器联合而成。此滤波器的作用是抑制所有来自肌肉活动的EMG相关信号。

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图3. AD8233 ECG前端功能框图

生物电位前端的工作频率取决于使用场景。仅需要QRS检测的普通心率监护仪,其工作频率范围远小于需要更多信息(例如来自P波、QRS波群和T波的时序和幅度数据)的 ECG 监护仪。 AD8233 的目标频段可通过外部电阻和电容配置。为提供灵活性,第二代可穿戴设备的ECG前端连接到嵌入式电极,配置为运动带宽,支持 7 Hz 至 25 Hz 的目标频段。第二个 AD8233 可以结合外部电极工作,配置用来监测 0.5 Hz 至 40 Hz 的信号。原理上可以 选择几乎任何带宽。然而,这要求修改硬件,改变 R 和 C 设置。

根据精度要求,AD8233 输出可以送至传感器板上 Cortex®-M3 处理器中嵌入的 12 位逐次逼近型 (SAR) ADC,或由独立的 16 位 AD7689 SAR ADC 数字化。用户可以根据精度或电池寿命进行权衡。

设备背面有两个电极,这些电极具有双重功能。除ECG测量 外,其还可用于皮肤电活动 (EDA) 测量。

EDA 或皮肤电反应 (GSR) 与皮肤电导率有关,而内部或外部刺激引起的情绪变化会暂时改变皮肤电导率,例如压力或癫痫会导致皮肤阻抗改变。第二代设备能够检测这种微小的电导率变化。系统利用交流激励信号,其施加于两个干电极上。也可以使用湿电极,效果会更好。不过,该设备仅利用两个嵌入式不锈钢干电极。使用交流激励信号的主要优势是它不会使电极极 化。接收信号链代表一个跨阻放大器,后接 AD7689 16 位 SAR 型 ADC。出于性能原因,ADC 采样速率远高于激励速率。ADC 输出 之后是一个运行在 ADuCM3029 处理器上的离散傅里叶变换 (DFT) 引擎,用以表示复阻抗。上述测量原理能以高信噪比测量皮肤阻抗或皮肤电导率,并且非常好地抑制 50 Hz/60 Hz 环境信号。 电路基于此测量原理而构建,完全采用分立器件。这一设计决策的主要原因是灵活性、精度和相当低的功耗。与此同时,ADI 正在开发一款支持上述应用的新芯片。其精度非常高,而功耗极小。ADuCM350也支持类似测量,但此芯片未针对功耗敏感型应用而优化。

如果仅测量生命体征参数而不了解测量时身体处于何种状态, 那么可穿戴设备是无价值的。因此,运动检测和剖析很重要。 像光学心率监测之类的使用场景对运动非常敏感,运动可能完全破坏测量精度。有鉴于此,运动也需要加以追踪以补偿伪 像。运动传感器有助于追踪运动,如果需要,可以在最终读数结果中补偿运动。ADXL362 是目前功耗最低的运动传感器。它 有一个 3 轴MEMS传感器并集成 12 位 ADC,可检测X、Y和Z轴上的 运动。ADC 的输出数据速率 (ODR) 反映传感器的功耗,在每轴 400 Hz 的全ODR 时功耗为 3 μA。图 4 显示了功耗与输出数据速率的关系曲线。

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图4. ADXL362功耗与输出数据速率的关系

此传感器也可用作运动激活开关。采样速率可以降至仅 6 Hz。 每隔 150 ms,传感器便唤醒并测量运动。若无运动,它将径直 回到睡眠状态,再睡眠 150 ms。当 g 力等于或高于设定的阈值水平且至少持续设定的最短时间时,说明检测到运动,传感器随即产生中断或使能电源开关以开启应用。在此模式下,传感器功耗仅 300 nA,依靠单颗纽扣电池便可运行数年。总结所有这些使用场景,可知运动传感器在可穿戴设备中必不可少。

温度检测是另一个重要参数。这正是第二代可穿戴设备嵌入两个温度传感器的原因。腕带设备利用 NTC 测量皮肤温度和设备内部温度,通过与身体接触的传感器测量温度的方法有多种。 NTC 由分立电路供电和调理,16 位 ADC 最终将信号转换到数字域。ADI 拥有类型广泛和各种精度水平的温度传感器。第二 代的温度传感器构建成分立式的原因是有 ADC 等多个功能可供 使用,设计者可以尽可能多地重用若干模块以减少冗余性,并 节省更多功耗。

ADuCM3029——集大成者

第二代设备运用两个处理器。并不是非要不可,其目的是提供 更大的灵活性。带无线 BLE 的接口板有一个处理器,该器件也 用在传感器板上以便能自主运行。

设备中集成了超低功耗 ADuCM3029 以收集传感器数据并运行算法。图 5 为该处理器中的集成模块概览。

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图5. ADuCM3029集成模块

内核是一个 26 MHz Cortex-M3,具有丰富的外设组合、片上存储 器和模拟前端。它有4种工作模式,全面运行模式下的芯片功 耗为 38 μA/MHz。如不需要处理能力,设备可在灵活模式下运行。在这种工作模式下,模拟前端运行,外设有效,测得的信 号可通过 DMA 存储在存储器中。此模式的功耗仅有 300 μA,故该芯片对低功耗电池供电系统非常有吸引力。其中还嵌入了多 项安全特性以保护代码,并有一个硬件加速器用于加密功能。

使用场景的选择

第二代可穿戴设备有很多用途。传感器可以集成到智能手表中,但包括精确心率监测和运动/卡路里消耗测量在内的众多功能对运动手表也很有利。智能手表和运动手表的主要区别在于对精度和电池寿命的取舍不同。

● 测量压力或情感状态。通常利用组合测量来获得可靠的读数,例如皮肤阻抗、心率变化和温度的组合。

● 血压监控。这是一个非常重要的参数,但大部分系统是基于护腕的,很难集成到可穿戴式连续控系统中。某些技术无需护腕便可测量血压。有一种技术利用脉搏波传输时间 (PTT),这要求 ECG 测量与 PPG 测量相结合。第二代可穿戴设备内部的传感器支持此技术。

● 与老年护理和独立生活有关。社会对能帮助护理人员远程监测某些参数的系统有巨大需求。该可穿戴设备支持 95% 的功能需求。系统可监测多项生命体征参数。它不仅能识别人是在移动还是在行走,而且能检测人是否跌倒。可穿戴设计缺失的一块是应急按钮,但这只需将处理器上的一 个I/O 引脚连接到设备上方的一个开关便能实现。

从原型到产品

第二代设备在一个小型可穿戴系统中嵌入了许多高性能传感器 和特性。除电子设计外,还考虑了许多机械设计方面。这使得 该平台对聚焦于半专业运动市场、医疗市场以及智能建筑、独立生活、老年护理系统相关企业的设计公司和设备制造商极具吸引力。所有参数可以同时测量,但算法需要助力应用以支持使用场景。测试和验证算法之前无需构建硬件,开发商和设备 制造商可利用此设备快速开始项目。

围观 5

作者:贸泽电子Mark Patrick

增强现实(AR)是一项具有巨大市场潜力的新兴技术,其目标是将真实世界和虚拟世界无缝地结合在一起,最终能够去除显示屏、鼠标和键盘,并可把用户界面变得自然且几乎无法察觉。通过使物理世界更接近数字世界,增强现实必定使二者都具备更高的效率。

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考虑到军用车辆和飞机上平视显示器(HUD)等很久之前就已经出现的先例,AR比姊妹技术虚拟现实(VR)早诞生了相当长的时间。这是因为基本的AR没有必要重新创建整个世界,它只需要在现实基础上叠加一些信息。首先,AR可以通过将发光显示屏反射到眼镜屏幕上,并通过这些来观察真实世界的视图来实现。AR的这种初始形式已经过数十年的测试和研究,并且针对关键问题进行了大量的开发。例如,如何在提供有用信息的同时而不会分散用户的注意力或混淆用户,以及虚拟元素施加到真实世界图像在显示屏上可以接受的延迟等等。

AR的三大主要类别

现在要确定哪些技术将成为未来主要的AR驱动因素还为时过早。AR有多种形式,并且有许多技术可以使用,包括现有的技术以及仍在开发中的技术。尽管有许多技术是相关连的,我们仍可以将AR领域本身分成三个主要类别,它们是:

• 手持式AR
• 投影区域AR
• 可穿戴/身临其境的AR

区分这些不同种类AR的另一种方式是,将手持式、可穿戴式和身临其境的AR通常称为“第一人称”界面,而投影区域AR则是“第三人称”界面。第一人称视角通常意味着用户嵌入到AR世界中,而第三人称视角则将用户定位为几乎大神级的人物,从上面或外面来查看AR世界。

手持式是目前最流行的AR应用。它依赖于具有运动和方向跟踪能力的手持设备,其中最常见的是手机。在这个AR变体中,手持设备充当AR世界中的可移动窗口,极受欢迎的Pokemon Go游戏就是一个熟悉的例子。同样,也有使用AR进行导航的Apps,例如餐厅评论Apps,可以将星级评分和其他信息叠加显示在附近餐馆。

手持式AR采用的是大多数人已经拥有的手机和平板电脑,而可穿戴式/身临其境的AR则依赖于耳机或眼镜,这些需要单独购买,而且有可能很昂贵(尽管现在有低成本的设备来尝试将手机变成一个基本的VR/AR耳机)。按照技术和实现方式考虑,可穿戴使式/身临其境式AR可以被看作超级的VR,它们依赖于类似的技术,但增加了AR元素。因此双重用途的AR/VR产品和Apps很有发展机会。

可穿戴AR值得关注

尽管手机Apps主导了AR的实际使用,但公众和媒体的注意力却不恰当地集中在新颖而有趣的可穿戴或头戴式显示器(HMD)上,这些设备主要依靠反射的微型显示器来生成增强图像,所使用的典型显示技术是小型硅基液晶(LCOS)、基于MEMS的数字光处理(DLP)和有机发光二极管(OLED)阵列。请注意,实际应用中的LCOS和DLP AR显示器包括一个照明光源,其光路需要额外的内部空间,而OLED则是自我照明,可能会影响设备尺寸和功耗。

这些AR耳机、可穿戴设备和眼镜与VR设备类似,但重要的是增加了“穿过(passthrough)”感。这是指外部世界的一种视图,虚拟元素可以通过直观的视图或者可能使用低延迟的摄像头进行叠加。总结当前的技术发展水平,直接观看的穿过式AR设备正在一些真实世界中使用,而基于相机的AR技术实际上在更大程度上是正在开发过程中。尽管所有形式的增强现实都必须克服分辨率、运动追踪以及真实和虚拟元素的同步等挑战,但基于相机的增强现实却更容易出现这些问题,因为它必须将整个实际视场实时传输到用户,并且对硬件要求更高。

量产中的AR硬件

谷歌眼镜可能是最知名的专业AR设备,它采用了一种单色LCOS阵列,并以快速循环的彩色LED照明来创建能够反射到用户视线中的全彩色显示,从而通过眼镜观察能够将其叠加在现实世界场景上。来自微软的体积更大、更精巧的HoloLens耳机像Google Glass一样,也采用了直接的视觉穿过。在HoloLens系统中,两个LCOS阵列产生独立的左侧和右侧图像,全息衍射光栅光学器件通过反射将反射图像聚焦到用户的眼睛。和谷歌一样,微软也是一直在遵循场景顺序彩色方式将单色显示变成彩色。然而,与重量较轻的单显示器Google Glass不同,HoloLens的两个LCOS阵列以及一些复杂的光学和处理功能可以显示三维AR图像。

AR:再次尝试企业市场

Google Glass是 AR吸引公众注意的第一大举动,但此举被证明是不太幸运的经历,而隐私是引发顾虑的主要问题之一。目前,企业级AR和消费类AR之间存在明显的差异,至少在短期内,这种差异可能会使企业级AR更加可行。

两者的不同之处在于,企业AR设备只要可以产生利润,便可以承受比消费品高得多的成本。例如,在生产线上,就成本效益而言,工人的AR眼镜可能与上百万美元的车床或注塑机一样重要,因此公司可能接受在AR系统上投资数百万美元,并且可以投资数万美元用于员工个人的耳机。另一方面,普通消费者的花费不太可能超过几百美元,因此消费品需要大批量市场的驱动,而企业级产品则可以在更小的利基市场中生存。在这种情况下,值得注意的是,在Google Glass收到普通消费者的冷淡回应之后,它重新发布了谷歌眼镜企业版(Google Glass Enterprise Edition),并且已经获得了很大的市场反响。

企业应用的可能性

在企业领域,AR能够提高员工的工作效率和生产率,同时可提高客户满意度并增大利润。一个很有意思的AR早期企业应用是面对面的客户关系管理(CRM)。例如,假如您走入一家咖啡店,脸部识别系统会通过AR眼镜告诉工作人员您的名字和您最喜爱的饮料,因而员工从您一走进门就可以开始准备您的订单,并通过名字来迎接您。这种个人信息的使用方式最初看起来可能令人毛骨悚然,但实际上呼叫中心和销售人员使用的传统CRM系统已经在做这些事情。

可以想象一下,医生和护士可以即时查看您的病史、当前药物、过敏等记录,从而能够为您快速做出最佳和最安全的决定。事实上,通过训练有素的员工,再加上昂贵的设备和资源,AR在医疗保健行业有很多潜在的应用。AR技术可以充分利用员工宝贵的时间,这是一个非常有吸引力的应用前景。

CRM是AR早期阶段应用的一个例子,由于它是将现有数据库的文本片段覆盖到场景,因而相对比较简单。对于那些从开始设计就是最大程度利用其独特优势的应用,AR才会显现出真正的价值。一位房地产经纪人在向某个房产的潜在买家介绍情况时,可以展示现场叠加的信息,帮助客户决定该房产是否适合他们。如果客户需要知道电源线在墙内的位置,或者哪里有水管以便安装额外的浴室,经纪人不必再需要去查阅以往的图纸规划,AR可以准确地显示管道和电缆的位置,甚至可以将视图分享给客户自己的AR设备。

在手术时,AR可以通知外科医生皮肤下器官和血管的位置,从而提高速度和安全性。实际上,Google Glass和HoloLens都已经在手术中进行了试用。同样,在工厂生产线上,工人们在将不同的产品放在一起时能够看到相应的指南,例如适合放置零件的位置、测试结果的即时反馈、电路板上问题组件的确切位置、制造过程中早期检测到的潜在问题警告等等。

事实上,随着稳定的AR硬件平台的不断推出,企业级AR的潜在应用几乎是无限的。虽然现有数据的简单叠加相对容易实现,并且也可带来益处,但最大的挑战很可能是开发真正创新的AR应用所需的软件,这将显著提高工作者的技能。

围观 8

根据相关数据显示,2016年全球可穿戴传感器市场规模约为2.3793亿美元,预计到2022年将增长至约13.8740亿美元;2017年至2022年期间年均复合增长率约为34.2%。

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可穿戴式传感器可用于各种远程场所和场景。从本质上讲,可穿戴无线传感器网络可以随身携带,但操作条件的限制可能会使得有效操作变得困难。可穿戴式传感器的概念在研究活动中得到了广泛关注。它们可以可以无线体域网(WBAN)实现联网。目前,情绪和情感识别已成为研究的动态话题。对情绪和表情的识别可能有助于通过远程监视追踪暴力、侵略、可疑行为以及疾病、虚弱、无意识、无聊或死亡等状态信息。所面临的技术挑战是将传感器定位在可控的附属位置,而不会妨碍身体的移动。

全球可穿戴传感器市场的增长主要归功于无线连接渗透率的增加,一线企业对可穿戴生态系统的兴趣不断增加以及可穿戴设备在医疗行业的优势等因素。此外,预计微电子、传感器制造和通信等领域的进步也将有利于可穿戴传感器市场的增长。此外,小型化、成本下降以及与消费电子设备和配件的集成也带动了行业对可穿戴传感器的需求。相反,消费者对可穿戴传感器的好处和使用的认识可能会对可穿戴传感器市场产生不利影响。即便如此,可穿戴技术即将出现的应用以及连接设备数量的增加也可能在不久的将来为可穿戴传感器市场营收增长提供一些方向。

加速度计传感器在手腕佩戴、衣鞋配饰和眼镜等应用中的重要用途预计将在未来几年获得极大的增长。惯性传感器在消费类电子产品中用途的不断扩大预计也将会对惯性传感器市场的增长造成很大影响。

根据应用,可穿戴式传感器市场分为护腕、颈饰、眼镜,鞋类、衣鞋配饰等市场。衣鞋配饰应用市场有望成为最赚钱的应用领域,并预计在整个预测期内,将实现最高的年均复合增长率。该市场的增长主要归因于消费电子、工业和医疗部门在多种应用中的广泛用途。

从地区来看,北美地区占有最大的份额,2016年是可穿戴传感器的主要区域市场。美国和加拿大等国家对无线技术大规模投入以及立法举措是推动该地区可穿戴传感器市场增长的一些因素。技术进步持续进步和无线技术的高可靠性将成为推动欧洲可穿戴传感器需求的关键因素。由于可穿戴式传感器的低成本,亚太地区有望成为新兴市场中发展速度最快的市场。

可穿戴传感器的不断发展,可实现更佳精准的数据监测。在未来,随着传感器技术的不断发展创新,相信可穿戴设备的市场前景是无法估计的。

本文转载自:OFweek可穿戴设备网
转载地址:http://wearable.ofweek.com/2018-03/ART-8420-5004-30210353.html
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作者:Silicon Labs资深系统工程师Morrie Altmejd

设计与实现一个光学心率监测(HRM)系统(又称光电容积脉搏波技术,简称PPG)是一类复杂的、涉及多个领域的项目。设计要素包括人体工程学、信号处理与过滤、光学和机械设计、低噪声信号接收电路以及低噪声电流脉冲发生器。Silicon Labs(亦称“芯科科技”)近期发布了一篇技术文章,主题为:“光学心率感测设计的系统集成考量”,内容详细说明了光学设计的原理、关键考量,以及各部集成器件的需求,同时也介绍了我们旗下最新的高精准、高集成度、低功耗HRM模块解决方案。请观看完整的技术文章。

心率监测逐渐成为可穿戴电子标配

可穿戴电子产品制造商正在不断为其保健与健身产品添加心率监测功能,集成化也正在推动心率监测应用中传感器的成本不断降低。目前,许多心率检测传感器都在其高度集成的模组中包含了一些分离的元器件,如模拟前端(AFE)、光电管检测器和发光二极管等。这些模组支持更便捷的实现方式,可在将心率监测功能加入到可穿戴产品中时降低其成本和复杂性。

可穿戴产品的外观形态也在逐渐改变。在胸带已经有效地服务了保健与健身市场多年的同时,心率监测功能现在正在进入到各种手腕佩戴产品中。光学感测技术与高性能、低功耗处理器等方面的技术进步,已经促使手腕佩戴这种外形可适用于许多设计;心率检测算法的精密度也已到达了一种新的水平,从而可以被采用手腕佩带外形的产品所接受。其它新的可穿戴感测应用外观形态和应用场景也在不断涌现,比如头带、体育与健身服装、以及耳塞等。但是,可穿戴生理指标监测的最主要应用场景还将归集于手腕。

集成度,精准度为心率监测系统设计关键

没有两种心率监测应用是完全相同的,系统开发人员必须考虑许多设计折中:如产品的舒适性、感测的精度、系统成本、功耗、阳光影响、处理许多皮肤类型、运动影响、开发时间和物理大小等等。所有这些设计因素都影响系统集成,是采用高集成度模组解决方案,抑或是采用集成了更多分离元器件的架构。

图1展示了测量心率信号的基本方法,它依赖于用光学方法从人体组织上提取的心率压力波。图1说明了光进入皮肤后传输的途径:由心率压力波引起的毛细血管舒张和收缩运动对由绿色LED注入人体组织的光信号进行了调制。接收到的信号因为通过了皮肤而被大大地衰减,它被一个光电管接收并送到电子子系统中去处理。源自脉搏的振幅调制信号被检测(过滤掉运动噪声)、分析和显示。

“图1.
图1. 光学心率检测的运行原理

心率监测系统设计的一种基本方法采用了一种定制的的微控制器(MCU),它被用于控制外部LED驱动器的脉冲信号发生,并同时读取一个分离的光电管上的电流输出数据。已知光电管的电流输出必须转换为电压,输出给模拟到数字转换(A/D)单元,图2中的原理图说明了这类系统的基本原理。已知电流到电压转换器在光电管电流为0时产生一个等于VREF的电压,而随着电流的增加电压将下降。

用在心率系统中的电流脉冲通常在2mA到300mA之间,具体数值取决于被测的皮肤颜色,以及所期望的信号必须抵消阳光。阳光中的红外辐射透过皮肤组织时的衰减很小,这与期望采用的绿光LED发出的光线不同,所以它能够淹没绿光的信号,除非所采用的绿光非常强,或者添加一个昂贵的红外线阻断滤波器。

在通常情况下,射入皮肤的绿色LED光线的强度,是阳光强度的0.1倍到3倍。由于人体组织的严重衰减作用,到达光电管的信号非常微弱,需要产生仅够使用的电流来实现合理的70-100dB信噪比(SNR),以便在即使是有完美的、无噪声运算放大器和A/D转换器的情况下来消除噪声。

采用这种消噪的原因是在每秒25次的数据读取中,每次光电管都会接收到一定数量的电子。设计中所采用的光电管的大小在0.1 mm2到7 mm2之间。但是,当它大于1mm时就会因阳光的影响而出现不确定的返回值。

“图2.用光电法获取心率数据所需的基本电子线路”
图2.用光电法获取心率数据所需的基本电子线路

如图2所示,在一个光电心率系统设计中,难以实现和成本很高的功能模块分别是:快速的、大电流的驱动LED的电压到电流转换器,用于光电管的电流到电压转换器,以及运行算法和对序列信号进行处理的MCU。一个可被设置到低至2mA的很低电流,但同时仍然能产生短至10µs的非常窄的光脉冲低噪声(75 - 100 dB SNR)300mA LED驱动器也是一个用分离器件实现起来非常昂贵的模块。

图2中所示的短至10µs的窄光脉冲支持系统去容忍运动和阳光,典型的方法是每秒25次采样率下的每次次的快速光测试,一次测量是在LED关闭的情况下完成的,而另一次则是在LED打开的情况下完成。计算得出的差值消除了环境光的影响,重要的是给出了对闪烁的背景光不敏感的期望的原始光信号测量值。

极短的光脉冲可以提供更强的光脉冲,可以比阳光的亮度更高,这也许是目前的解决方案并使PPG信号载波不被阳光信号所破坏的方法之一。如果阳光信号大于PPG载波,尽管它可以通过减法被消除,但是手臂运动会带来的难以消除的噪声。所以系统会使用一个低电流的LED驱动器和大面积的光电管对运动和阳光噪声进行补偿。

许多期望的心率检测感测功能可以通过预先的设计和集成,用仅仅一个器件来实现。将该项功能的大多数电路集成到一块芯片中,可实现相对较小的3 mm x 3 mm封装,这甚至可以把光电管自己集成于其中。

高集成,小尺寸,低功耗,内建算法的Si118x HRM模块

图3以Silicon Labs的Si118x光学传感器为例来说明电路原理,基于此器件可以相对方便地实现心率检测设计。工程师只需专注于设计的光学部分,其中包括电路板上各部分间的光学单元和将该系统如何与皮肤配合。

“图3.一个只需要外部LED的集成化心率传感器”
图3.一个只需要外部LED的集成化心率传感器

图3所示的方法可以实现高性能的心率检测解决方案,它并不是一些设计师所期望的小型化或高功效方案。为了实现更小的解决方案,LED片芯和控制芯片必须被集成到同一个封装中,其中集成了所有的必需的功能,包括光学单元和可以改善LED输出的透镜。图4说明了这种集成度更高的解决方案,它基于Silicon Labs的Si117x光学传感器。

这种心率检测设计不需要额外的LED,因为LED和光电管都集成在模组内部了,而该模组可以直接安装在光学界面的下面,亦即诸如智能手表等可穿戴产品的后盖里面。这种颇具优势的方法使LED与光电管之间的距离短于分离器件设计,这种更短的距离支持极低功耗的运行,这是因为在穿透皮肤时的光损失更低。

集成多个LED也解决了LED与光电管之间的光泄漏问题,其结果是设计人员不必在印刷电路板上添加光阻隔离。不采取这种方法的结果是,用塑料或者泡沫插入物和印刷电路板上的特别铜层来处理隔离。

“图4.一个高度集成的心率检测传感器模组集成了所有必须的元器件”
图4.一个高度集成的心率检测传感器模组集成了所有必须的元器件

当然,其中还有一款心率检测设计的开发人员不必去关心的部分:心率检测算法。这个寄附在主处理器上软件单元非常复杂,其原因是在用户锻炼或者进行运动时会发生信号变差的情况。最终用户的运动通常会产生其自身的信号,它们可能欺骗真正的心率信号,并在有些时候被错误地认作是心率节奏。

如果一家可穿戴产品的开发人员没有开发算法的资源,第三方供应商可以以软件授权交易的提供这种软件。Silicon Labs也提供用于其Si117x/8x光学传感器心率算法,它们可以在编译后运行在大多数处理器上。

当然,最终由设计师来决定各种心率检测应用中需要多高的集成度才合适,设计人员能够用高集成度的模组化解决方案和购买算法授权去简化设计过程并加快产品上市。对于对光学感测有深入认识、同时时间及资源也颇为丰沛的开发人员,这可以选择使用分离元器件(传感器、光电管和镜头等等)及自己的系统集成,甚至还可以开发他们自己的心率检测算法。最终,当我们进行心率监测系统设计时,设计师可以选择全部靠自己去完成,或是全部从外部购买。

本文转载自: SiliconLabs
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围观 19

推动高能效创新的安森美半导体 (ON Semiconductor,美国纳斯达克上市代号:ON) 发布了一个全新多传感器屏蔽板,并扩展了其物联网开发套件(IDK)的软件,帮助工程师应对更广泛的高增长物联网(IoT)应用。新产品让客户能加速产品开发周期,更快地为各种联接的健康及工业可穿戴设备、智能家居、预测性维护、资产追踪和其他工业物联网应用部署 IoT 方案。

安森美半导体的 IDK 是一个直观、模块化、 节点到云(node-to-cloud)的平台,可实现快速原型制作的评估和 IoT 方案的开发,为时间和资源紧张的设计人员带来重要的价值。IDK 通过连接至 Arm® SoC 主板上的一系列屏蔽板/子卡,可在这 IoT “大伞” 下提供各种感测、处理、联接和致动的可能性。

多传感器屏蔽板新增了多种惯性和环境传感器。这配以例如最近发布的蓝牙低功耗(BLE)联接屏蔽板,可实现针对各种超低功耗智能家居、工业物联网和可穿戴方案的快速原型制作。

软件是 IDK 整体的部分,在此次提升的软件功能,安森美半导体发布了 IDK 软件4.0版本。除了对 Carriots(Altair)云的既有支持外,现还包括了对 IBM 云的原生支持。此外, IDK 主板上运行的嵌入式操作系统也已升级至 mbed 5.5版本。

安森美半导体物联网主管 Wiren Perera 表示:“安森美半导体持续扩充其直观的 IoT 套件,帮助客户针对不同的 IoT 垂直市场制作原型和开发方案,并以更快、更好的成本效益部署。我们了解提供从节点到云的完整方案的重要性,所以我们的全新感测功能与超低能耗联接和致动器产品的选项相辅相成,可实现领导业界的电池寿命的全新方案类别。更广的云支持、升级的操作系统(OS)和可配置的移动应用程式都表明我们持续增强软件功能以促进快速产品部署的承诺。”

凭借额外的硬件和软件增强功能的强强组合,设计人员现能进行原型制作,并开发更广泛的 IoT 设备和方案。安森美半导体正在开发一款安卓移动应用程式,将能够通过低能耗 BLE 经手机看到传感器数据和控制致动器。该应用程式可针对应用和用例原型进行动态定制。

本文转载自:安森美半导体
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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。

“图2.
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。

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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。

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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。

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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。

“图9.
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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