作者:Robert Huntley 贸泽电子

我们的身体是一台极端的机器

那些在极端环境下工作的人需要依靠科技来保证安全并且监控他们的身体健康,空军飞行员、深海潜水员以及在阿拉斯加工作的科学家都会使用专门的设备,保证他们的身体能够在这些极端环境下生存,例如飞行员每天都会经历加速度和重力,这些因素都需要可穿戴设备来监测对身体的影响。

美国国家航空航天局(NASA)和军事研究人员确切地知道我们的器官能够承受多大的加速度,他们发现14g的横向加速度对于身体内部来说太大了,这些专家通过测试极限来确定人类耐力的极限。

例如作为正常的航空旅客我们仍然对我们的身体充满期待,我们的技术能够帮助我们应对几小时内不断变化的压力、温度和位置变化,让我们能够安全的从加利福尼亚旧金山飞到纽约。

虽然已经证明大多数人将无法承受高温(身体过热),在极端潮湿或60℃的环境中超过十分钟就可能造成死亡,此外因寒冷造成的死亡也很难划定,当一个人的身体温度下降到-21℃时就会死亡,但是需要多长时间达到这一点取决于几个因素,比如这个人是否习惯了很冷的环境等。

我们这些在最寒冷城市生活和工作的人,比如阿拉斯加的费尔班克斯,已经制定了应对机制,并且有基本的生活和工作保障设备。这里最低温度可达到-27℃,费尔班克斯的气候对人体和技术可靠性充满了挑战。电子设备在这种寒冷的气候条件下也很难正常工作:例如Fitbit智能手表的最低使用环境是-20°F,然而因为它与我们的身体紧密接触,所以这类电子设备的温度要比外面环境的温度要高一些。

为了让人们能够在这样极端的环境下工作和生活,工程师们设计了一系列的传感器用来监测穿戴者的体温,随时提醒佩戴者可能出现的任何危险变化,这些传感器被设计用于在最恶劣的环境下工作,保护可穿戴者的头部、手、身体和脚部的温度。

在一位电子工程师来看要让这些传感器蓬勃发展即使是可穿戴设备的电池也需要定制化设计,从而可以应对这些极端的温度,因为一些电池在低于-30℃的环境下会停止工作,大多数的LED显示屏也有特定的操作温度范围,这些组件都需要工程师们特别关注。当我们人类在更具挑战的环境中工作时,可穿戴设备的工程师也要做到随时对设备进行更新。

这些组件也有不同的消费版本,包括为远足者和登山者准备的保暖衣物(采用电池供电),确保他们在探险期间的舒适和安全。然而这些短途旅行者需要携带多块电池来保证温暖,如果必须是一次轻型的旅行,那么这些额外的设备可能就是负担!重要的是旅行结束后探险者一定要注意不要把所有的衣服和可穿戴设备都交给洗衣店,这种疏忽是厂商不愿看到的,网上有很多关于用户在不小心洗澡后想要恢复健康追踪器、智能手机和蓝牙耳机的建议。

我们人类在追求冒险的过程中,在征服地球上一些最不适宜居住的地方的过程中,似乎并没有表现出任何放慢脚步的迹象。运动员不断挑战人体极限,发现人类能够跑多快。能够跑多远,能够跳多高等,只有通过可穿戴技术的出现才能够通过不断反馈来监测这些活动。

体育领域的技术

在美式足球中技术的进步使得运动员的安全得到提高,锐步(Reebok)和科技公司MC10发布了一项创新技术,可以在比赛中测量球员被击中(或被拦截)的力量,这种监测可以让队医提前知道球员是否需要检查脑震荡,内置传感器可以承受很大的压力,同时确保职业运动员能够安全的继续比赛。

全球定位系统(GPS)追踪器可以安装在运动员的衣服中,从而可以实时提供美国国家橄榄球联盟(NFL)球员的速度、平衡、加速度和运动的相关信息,传感器还可以监测软组织受伤的早期迹象,为教练和医护人员提供实时信息,从而确保球员在发生更严重受伤之前被替换,这些传感器和设备必须是轻量型且不引人注目的,而且还要能够承受运动员在激烈的60分钟比赛中所经历的汗水、运动、冲击和摩擦的影响。

但是不仅仅是职业运动员要想采集这类信息,随着技术的突破还将会采集更多的信息,跑步爱好者现在可以在袜子和跑步鞋中安装传感器,作为跟踪他们跑步技术的最新方式。当连接到智能手机上时这些数据可以显示跑步者的脚是如何着地的,从而使他或她能够更具速度和身体安全作出一定的调整。此外还能够采集速度、距离等,人体工程学使跑步比以往任何时候都成为一门科学,通过设计这些传感器还可以让跑步者在人行道、小路和跑道上行走时追踪对脚步的冲击还有出汗的情况。

可穿戴设备的未来

那么可穿戴技术的未来在哪里呢?对于未来技术和消费者需求的判断并不总是那么完美,但是很明显我们对监测、记录和追踪我们每一个动作的需求并没有任何放缓的迹象,除了跟踪运动和体重的变化,未来有一天我们的训练设备会将运动转化为能量来驱动内部传感器,可以让我们的鞋子保持凉爽或者温暖,我们还可以戴上隐形眼镜,不用打开笔记本电脑就可以查看日历,安排每天的生活,无论人类未来走向何方,可以肯定的是可穿戴设备都是未来发展的趋势。

关键的几点:

1、虽然不是传统意义上所说的恶劣环境,但是人体必需能够极端的温度、冲击和暴露在外面的环境中。

2、无论我们身处何处可穿戴设备中的敏感元件必须能够与我们身体所处的环境保持同步。

3、可穿戴设备迅速变得无处不在——健身带成为最受欢迎的设备,在我们锻炼期间和之后它会向我们展示体能、身体相关的统计数据。

4、作为人类我们可以在一些具有挑战性和极端的环境中生存,然而我们的身体会产生汗水、高负荷运动以及一些护肤品(防晒霜等)都会影响可穿戴设备的使用,如果没有考虑到这些方面可能会造成设备失灵。

5、在某些情况下人体也会保护可穿戴设备,比如设备工作的外部温度限制是-20℃,但是借助体温在-30℃环境下也可以正常工作。

总结:

罗伯特 • 亨特利(Robert Huntley)是一名获得HND认证的工程师,同时也是一名技术作者,他在电信、导航系统和嵌入式应用方面有着丰富的经验,他负责为贸泽电子公司撰写各类技术和实用文章。

相关阅读:
【原创深度】可穿戴设备如何历经人体磨难而保持正常?(一)

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作者:Robert Huntley 贸泽电子

在工程师的眼里人体是一项 杰作,它可以承受瞬间升高的温度、刺骨的寒风,可以暴露在水中,承受擦伤和剧烈运动。人类的身体适应了我们对于冒险的追求,适应了我们对在不断变化的气候和环境中生存的渴望。

无论什么样的冒险者——无论他是超级马拉松运动员、高山攀登者,还是石油钻井平台上的工作的深海潜水员——人类的努力无不令人惊叹。通过人类的思维我们发明了一系列技术来支持我们每一步的行动,拯救生命,利用我们所知的可穿戴设备来每时每刻的监控我们的身体状况。

在本文中我们将介绍可穿戴设备是如何经受住我们身体严酷考验的,以及这些设计时如何快速调整,从而保证无论我们想去哪里或者需要去哪里,我们的技术都能与我们同在。

可穿戴技术的发展史

尽管科技在过去20年间飞速发展,但可穿戴技术的发展要比大家想象的要早得多,比如眼镜是在1286年发明的。维多利亚人(以爱发明著称)在19世纪设计了一顶装有空调的大礼帽,还在1890年设计了一件用电照明的连衣裙。但直到20世纪可穿戴技术才真正变得成熟。

飞利浦公司和李维斯公司在2000年合作创造了“ICD+”品牌,这是一款外套,内部设计了很多有线接口可以用来连接一系列的便携式电子设备。中央控制模块(CCM)连接所有设备,能够让穿戴者在手机、MP3以及耳机之间进行切换,从而控制它们各自的功能。在人体出汗的时候这件外套要能够经受住从内到外的温度变化,从而提供降温效果。在天气波动的时候外套也要能够感受温度的变化,虽然不太可能有人把这种产品推销给珠峰的登山者,但这样的设计才能确保产品既实用又时尚。

如今可穿戴设备已经无处不在,预计到2020年可穿戴设备的销量将超过1.7亿。每次我们将Fitbit智能手表戴在手腕上或者佩戴Apple Watch时,我们都在要求这项技术能跟随我们到任何地方,经受住我们所做的事情,在人类和电子工程史上从没涉及的地方发挥作用。设计师不仅要确保他们的设备能够正常工作,还要确保在极端环境下也能够正常运行。

干旱的地区

每个星期都有关于人类挑战极限的报道,在这个星球上没有什么比酷热和严寒更折磨人的了。加州的死亡之谷是世界上最热的地方,1913年温度甚至达到了56.7℃,这超出了人类生存的极限。现在该地区夏天经常保持的温度是47℃,但是我们人类决定挑战自己,在这一地区举办了被称为“世界上最艰难比赛”的恶水超级马拉松(Badwater Ultramarathon),这无疑不让人振奋,在这段217公里的赛程中很少有人能够跑完全程,记录上显示最快的选手在35小时内跑完了全程。令人惊讶的是在这30年的比赛中没有人在这条赛道上丧生,但是它仍然被视为耐力和生存能力的终极考验之一。

参赛的选手都有工作人员提供安全保障,提供水和医疗救援,跑步者不仅要在这种极端的挑战中生存下来,佩戴的技术也要过关,汗水、沙子、压力和酷热都为制造商提供了测试可穿戴设备的终极环境。同样科学家们将参赛者作为研究对象来了解人类耐力的极限——比如2008年的一项研究观察了运动员的水分循环。

从工业设计的角度来看,面临的挑战是保持可穿戴设备的形式和功能,使其不能够太重、体积不要太大、用户操作不复杂,而且能够很好的展现其用途。即使是步数计数器这样简单的任务,工程师也要确保设备屏幕在明亮的阳光下可以看得清,确保表带不会被灰尘颗粒侵蚀,确保按钮即使有汗水和污垢的情况下正常工作。一款复杂的电子可穿戴设备需要足够坚固,防止灰尘和汗水进入内部,要做到这些事情不能妨碍运动员的注意力。

日常工作

当然不仅仅是超级运动员会让他们的身体和设备承受压力,人们每天上下班都要佩戴可穿戴设备,行走一万步,每天都要和同事们在一起,这些都给他们的身体和可穿戴设备带来了压力。

想想看我们每天带着Fitbit智能手表洗碗或者上厕所后洗手,我们一天会把水溅到手上好多次,工程师们都会知道这一点,因此即使那些声称不完全防水的产品,我们也要努力创造一定程度的防水功能。

我们的香水、润肤水、护手霜和化妆品都会导致污垢积聚,影响可穿戴设备的传感器。把手伸进橱柜、接孩子或者用吸尘器打扫家务,这些都会让我们的手腕受到碰撞,也就会让我们的可穿戴设备受到震动。当我们进行体育运动,在一场网球比赛或健身课上挥汗如雨时,我们要确保健康追踪器要必须强健耐用才能够适应我们的生活方式。考虑到现在大多数健身追踪器都包括心率监测,让一个光电二极管探测器和发光二极管(LED)组件靠近身体时,没有灰尘和汗水是非常重要的,当然这只是工程师面临众多微小挑战之一。

精彩内容未完待续。。。敬请关注人体:世界上最复杂的环境(二)

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本文作者:德州仪器 Manuel Diaz Corrada

随着医疗保健范围扩大到涵盖新兴技术,以及电池尺寸的缩小和互连性提高,医疗领域将迎来一场治疗方案的范式转移。在接下来的十年中,医生通常可以使用在线工具监测数百名患者,无需亲自进行体检,这样一来医疗保健系统可以应对越来越多的患者。

伴随这一趋势的到来,越来越多的医疗和个人电子产品公司正在采用可穿戴设备来改善住院和门诊治疗阶段患者的治疗效果和提高服务质量。这些公司通过对医疗设备的各种创新帮助提高对患者的服务质量,但其中一个重点是更改设计,以便所有护理设备能够在患者整个住院期间跟踪患者情况。目前,重要的资源专用于移动患者并在不同病房之间交换监测设备。当护士必须准备大型设备以接收来自其他病房的患者,并且必须协调后勤以便在患者转移后将设备送回原始位置时,所有这些流程不仅耗时而且费力。移动性更佳的设备可以顺利地将患者从重症监护室转移到普通病房直到患者最终出院。由于无需在科室之间或甚至外部机构之间进行协调,过渡阶段的护理过程允许设备与患者相连,因此也变得更加方便。

便携性并非一个新概念,因为大多数传统医疗设备已经使用电池(虽然尺寸非常大)。但这些电池的规格使得大多数患者难以被轻松移动。为解决这一难题,各大公司纷纷采取了一种新方法,就是使用基本传感器作为主要监测工具,并通过与医疗网络连接指定的辅助功能。清除所有处理、存储和其他非监控过程可减少医疗设备的成本和表面积,提高其经济性、轻便姓和通用性。通过监测如图1所示的患者信息,从尖端可穿戴设备到传统医院设备,如床边监护仪、药物输液泵和装有传感器的床,医疗设备可以帮助患者与其医疗团队保持互联。

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图 1:可穿戴显示器可以跟踪和传输的患者信息

互联可改善大量常规医疗流程,包括文档记录、资产跟踪和患者护理。自动记录文件可防止在记录生命体征时出错。持续连接的设备可最大限度地利用设备,使其方便甚至完整地完成常规医疗程序。

例如,防止卧床患者出现褥疮的过程。在以往,护士必须记住每隔几个小时改变并记录患者的位置,以防出现压疮。但是,互联的医院病床或患者佩戴的传感器可以使这一过程更顺畅,它们可以自动跟踪活动,并在需要采取行动时提醒护士。这些设备还可以创建患者不同体位的准确日志,若患者报告有任何疼痛或状态改变,医生将获得有用的信息。

通过这些小改进,我们即将迎来一场医疗变革。医生现在可以花费更少的成本来做更多的事情,但前提是这些设备必须保持开启。出于这个原因,全天候电池寿命对于患者治疗与护理过程的便利性和结果至关重要。

持续的通信和触摸屏等其他功能所消耗的能量使得一次性电池无法成为这一新监控空间内的可行解决方案。通过为这些操作提供电力,这些电池的电量会快速耗尽,从而大幅增加了每个设备操作的成本。虽然可充电锂离子电池足以解决电源问题,但它们需要更加稳定的温度和保护,正确充电是重点。对于小且易受电噪声影响的医疗应用,线性充电器可用于执行充电任务。线性充电器易于设计到任何功率块中,可提供高达1.5A的充电电流,其解决方案尺寸小于开关式充电器。

TI最小的线性充电器bq25100具有终端电流控制功能,精度低至1mA,泄漏电流仅为75nA(与蓄电池的自放电率相比可忽略不计),其物料清单(BOM)成本在市场上也是最低的品类之一。这些特性使得bq25100成为需要充电电流低于250mA或精确终止电流的简单应用的理想选择,例如可穿戴应用和患者监护仪。

如果您需要更复杂的充电器,bq25120A则是一个很好的选择。该充电器配有集成的I2C、按钮控制、低压差线性稳压器(LDO)、降压转换器、快速充电和电源路径功能,同时,尺寸仍然小于三粒米的大小。它具有在为电池充电的同时为系统供电的能力,可实现即时启动功能。按钮控制有助于通过轨道启动或中断与微控制器(MCU)的连接,从而可以轻松使用不同的工作模式。快速充电允许在短时间内进行大量充电,但这样做会对电池产生一些额外的磨损。

内置的I2C通信控制可让该设备实现完全定制化。例如,I2C接口可以让您通过MCU自定义充电配置文件。您可以配置充电电压、充电电流、终止阈值、输入电流限值、安全定时器限值等,以满足各种规格要求。通过这种定制,可以设计出轻便的可穿戴解决方案,附带的小型电池可以充电,而不会影响性能或定制化。定制还可以降低终止电流,这意味着您可以在每个周期为电池充电至更高的容量。参见图2。

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图 2:低终止电流的好处

图3显示了在可穿戴心电图(ECG)贴片中使用bq25100或bq25120A线性充电器的情况。这种心电图贴片将使近期有心脏手术的患者能够被持续跟踪到他们的生命体征,而不会有扰人的电线或与他们连接的设备。像bq25120A这样的小型化设备可使这种设计成为可能。

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图 3:心电图贴片系统图

由于对小型解决方案的需求不断增大,电池正成为医疗技术中不可或缺的一部分,它使得便携性、较长的使用寿命和持续的互连性成为可能。使用持续监控患者健康状况的设备不仅可以增强患者护理的体验,还能够改善医院或医疗机构内的医疗流程。像bq25100和bq25120A 这样注重尺寸的线性充电器可最大限度延长电池的使用寿命,使得像心电图贴片这样的器件可以满足患者的健康检查需求,而无需持续更换电池,从而影响监测。

当然,TI提供的线性充电器种类远不止此文中提到的几种,德州仪器正在不断开发更多新产品,以满足医疗行业的最新需求。其中包括支持最新型患者监测系统的产品,通过更灵活更高效的性能,从而帮助从ICU到患者家庭的现代医疗护理过程变得更理想。未来充满了不确定性,但此产品的前景一片光明。

本文转载自:TI E2E™ 中文社区
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用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器

本文是主题为“用于生物计量可穿戴设备的光学心率传感器” 三篇博客的第一篇。本篇着重介绍这些传感器系统的工作原理和通过它们可以测量什么。

大部分可穿戴设备采用光电容积脉搏波描记法(PPG)来测量心率及其他生物计量指标。PPG是一种将光射入皮肤并测量因血液流动而产生的光散射的方法。该方法非常简单,光学心率传感器基于以下工作原理:当血流动力学发生变化时,例如血脉搏率(心率)或血容积(心输出量)发生变化时,进入人体的光会发生可预见的散射。下图1介绍了光学心率传感器的主要元件和基本工作原理。

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图 1:光学心率传感器的基本结构与操作

光学心率传感器使用四个主要技术元件来测量心率:

● 光发射器

通常至少由两个光发射二极管(LED)构成,它们会将光波射入皮肤内部。

● 光电二极管和模拟前端(AFE)

这些元件捕获穿戴者折射的光,并将这些模拟信号转换成数字信号用于计算可实际应用的心率数据。

● 加速计

加速计可测量运动,与光信号结合运用,作为PPG算法的输入。

● 算法

算法能够处理来自AFE和加速计的信号,然后将处理后的信号叠加到PPG波形上,由此可生成持续的、运动容错心率数据和其他生物计量数据。

光学心率传感器可以测量什么?

光学心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值,但是利用PPG波形可以测量的对象远不止于此。尽管很难取得和维护精确的PPG测量结果(我们将在下一篇详细论述它),但是如果您能够成功获得精确的PPG测量结果,它将发挥强大的作用。高品质PPG信号是当今市场需求的大量生物计量的基础。图2是经过简化的PPG信号,该信号代表了多个生物计量的测量结果。

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图 2:典型的PPG波形

下面我们进一步详细解读某些光学心率传感器可以测得的结果:

● 呼吸率

休息时的呼吸率越低,通常这表明身体状况越好。

● 最大摄氧量(VO2max)

VO2测量人体可以摄入的最大氧气量,是人们广泛使用的有氧耐力指标。

● 血氧水平(SpO2)

是指血液中的氧气浓度。

● R-R间期(心率变异率)

R-R间期是血脉冲的间隔时间;一般而言,心跳间隔时间越长越好。R-R间期分析,可用作压力水平和不同心脏问题的指标。

● 血压

通过PPG传感器信号,无需使用血压计即可测量血压。

● 血液灌注

灌注是指人体推动血液流经循环系统的能力,特别是在濒于死亡时流经全身毛细血管床的能力。因为PPG传感器可跟踪血液流动,所以可以测量血流相对灌注率及血液灌注水平的变化。

● 心效率

这是心脑血管健康和身体状况的另一个指标,一般来说,它测量的是心脏每搏的做功效率。

光学心率传感器带来的挑战?

设计可穿戴设备上的光学心率传感器难度很高,因为设计方法会受到人体运动的很大影响。为了弥补这一点,您需要强大的光力学和信号提取算法。图3说明了您在设计光学心率传感器时可能面临的部分主要挑战。

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图 3:集成光学心率传感器的主要挑战

光力学

下面进一步介绍有关PPG传感器集成的光力学考虑事项的详细信息:

● 光力学耦合

在传感器与人体之间是否能够高效进行双向光导与耦合?使血流信号最大化和向传感器施加噪音的环境噪音(如日光)最小化,是其中的关键。

● 是否为人体部位使用了正确的波长?不同部位需要不同的波长,因为各部位的生理构造不同,并且环境噪音对不同部位的影响不同。

● 设计是否使用了多个发射器,它们的间距是否正确?发射器的间距很重要,正确布放才能确保您测量到足够量的正确类型的血流,且测量结果具有较少的伪影。

● 在体育锻炼或身体运动过程中,诸如皮肤与传感器之间的位移量等机械力学作用是否最小?这对许多佩戴可穿戴设备进行活动的常见情况都是个问题,比如跑步、慢跑和健身房锻炼。

信号提取算法

下面进一步介绍有关信号提取考虑事项的详细信息:

● 算法是否在多元化的人群中进行过验证?

这一点很重要,只有进行过此类验证才能保证设备能够适应多种肤色、两种性别、不同体型和健康状况而正常运行。

● 算法是否有抵抗多种类型运动噪音的强健性?

算法必须能够在各种活动期间正常工作,包括步行、跑步(高速稳定的跑步和间歇训练)、疾跑、健身房训练及打字或开车等日常行为。

● 算法是否能够持续改进,以便能够处理更多用例和新型生物计量?

这种技术和可穿戴设备市场正在迅速发展,您必须永葆创新,始可满足不断变化的客户需求。

我希望大家能够通过本篇博客了解一些有关PPG传感器系统工作原理及可测量内容的知识。本系列的下一篇博文将探讨将这种技术集成到各类设备(手表、健身手环和耳塞等)的最佳实践。

本文转载自:德州仪器
声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有,如涉及侵权,请联系小编邮箱:cathy@eetrend.com 进行处理。

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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。

“图5.
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。

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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TDKPiezoHapt™超薄执行器。PiezoHapt是目前全球市场上最薄的触觉元件之一,扩展了包括PowerHap™执行器在内的TDK触觉产品阵容。PiezoHapt厚度只有0.35毫米,响应时间也只有极短的4毫秒,与传统的偏心马达或线性谐振执行器相比,PiezoHapt明显更薄,能效也更高。

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贸泽电子供应的TDK PiezoHapt执行器采用单晶结构,是由积层压电元件粘贴到振动板的一侧构成。这种单晶结构使得器件可以从容应对温度和形状的挑战,即使用低压驱动,也能获得清晰的响应。该执行器的驱动电压可低至24V,并且可根据所用电压的振幅和频率生成各种振型。在频率200 Hz和峰值电压24V下,该执行器提供65 µm的典型位移(无负载)。

TDK的PiezoHapt超薄执行器在贸泽现货供应,振动板尺寸为80 × 60 mm,是理想的节能触觉解决方案。PiezoHapt 提供丰富的振型,适用于智能手机、可穿戴设备、平板电脑、显示器、触控板以及工业控制设备中的触觉反馈应用。

更多详情,敬请访问www.mouser.com/tdk-piezo-hapt-actuator

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500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60万家客户出货。更多信息,敬请访问:http://www.mouser.cn

关于TDK Corporation
TDK Corporatio成立于1935年,是总部设在日本东京的一家领先电子公司,其主推的商用铁氧体是电子和磁性产品中非常重要的原材料。TDK的产品阵容包括无源元件,例如陶瓷电容器、铝电解电容器和薄膜电容器、铁氧体和电感器、高频产品、压电和保护元件、传感器和传感器系统以及电源。这些产品以TDK、EPCOS、InvenSense、Micronas和TDK-Lambda品牌销售。TDK更进一步的主要产品阵容包括磁性应用产品、能量装置和闪存应用装置。TDK主要关注信息与通信技术、汽车、工业和消费类电子产品等领域中的高要求市场。

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简介

为应用选择最合适的加速度计可能并不容易,因为来自不同制造商的数据手册可能大相径庭,让人难以确定最为重要的技术指标是什么。在本文第二部分,我们将从可穿戴设备、状态监控和物联网应用的角度重点讨论各项关键技术指标和特性。

可穿戴设备

关键指标:低功耗、小尺寸、旨在增强节能性能的集成特性以及可用性。

用于电池供电型可穿戴应用的加速度计的关键指标是超低功耗(通常为μA级),以确保尽量延长电池寿命。其他关键指标是尺寸和集成的特性,比如备用ADC通道和深度FIFO,其作用是增进终端应用的电源管理和功能性。由于这些原因,可穿戴应用中通常采用MEMS加速度计。表1所示为部分生命体征监测(VSM)应用及其在具体应用中的对应设置。用于可穿戴应用的加速度计通常可以对运动分类;检测自由落体;测量运动是否存在以确定是使系统上电、关断还是休眠;辅助实现数据融合,供ECG和其他VSM测量使用。同样的加速度计也用在无线传感器网络和物联网应用中,因为它们具有超低功耗的特性。

表1. VSM可穿戴应用的运动检测要求

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在为超低功耗应用选择加速度计时,必须在数据手册中标称的功耗水平下观察传感器的功能。要观察的一项关键指标是带宽和采样速率是否会降至无法测量可用加速度数据的水平。有些竞争产品通过每秒关断并唤醒的方式达到维持低功耗的目的,但这样做会错过关键的加速度数据,因为有效采样速率下降了。为了测量实时人体运动的范围,需要大幅提高功耗。ADXL362 和 ADXL363 不会通过欠采样混叠输入信号;它们采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。功耗随采样速率动态变化,如图1所示。需要注意的是,这些器件可在功耗仅为3 μA的状态下,以最高400 Hz的速率进行采样。在可穿戴设备中,这些较高的数据速率可实现额外的功能,如单击/双击检测。采样速率可降至6 Hz,以便在被拾起时或者检测到运动时设备能启动,此时的平均功耗为270 nA。这也使ADXL362和ADXL363非常适合植入式应用,因为在这种应用中电池更换非常困难。

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图1. ADXL362电源电流与输出数据速率的关系。

在部分应用中,加速度计每秒只需轮询一次或几次加速度即可。对于此类应用,ADXL362和ADXL363提供了一种唤醒模式,功耗仅为270 nA。ADXL363集成了一个三轴MEMS加速度计、一个温度传感器(典型比例因子为0.065°C)和一个板载ADC输入(用于同步转换外部信号),采用小尺寸、薄型(3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm)封装。加速度和温度数据可存储在512样本多模FIFO缓冲器中,允许保存的数据时长高达13秒。

ADI公司开发了一款仅供演示使用的VSM手表(如图2所示),旨在展示ADXL362等超低功耗器件在电池供电和空间受限应用中的潜力。

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图2. VSM手表(集成多款ADI器件,旨在凸显超低功耗、小尺寸轻型产品)

ADXL362用于追踪运动和记录运动,帮助从其他测量结果中消除干扰伪像。

状态监控(CBM)

关键指标:低噪声、宽带宽、信号处理、g范围和低功耗。

CBM需要监控多项参数,比如机器振动,其目的是发现和指示可能发生的故障。CBM是预防性维护的一个重要组成部分,其技术通常用于驱动涡轮机、风扇、泵、电机等机械。CBM加速度计的关键指标是低噪声和宽带宽。在撰写本文之时,提供3.3 kHz以上带宽的MEMS加速度计的竞争公司非常少,有些专业制造商提供的最高带宽为7 kHz。

随着工业物联网的发展,业界越来越重视减少布线和利用无线、超低功耗技术。这使得MEMS加速度计在尺寸、重量、功耗等方面领先于压电加速度计,并且有可能实现集成智能特性。CBM中最常用的传感器是压电加速度计,因为这类传感器具有良好的线性度、SNR、高温工作性能和宽带宽(典型范围为3 Hz至30 kHz,有些情况下可能高达数百kHz)。然而,压电加速度计在DC范围下的性能欠佳(如图3所示),因此在较低频率至DC范围内可能会出现大量故障,尤其是在风力涡轮机和类似的低RPM应用中。压电传感器的机械性质使其难以像MEMS一样实现大批量生产,并且成本更高,在接口和电源方面的灵活性也比较低。

MEMS电容式加速度计具有更高的集成度,功能也更为丰富,支持自检、峰值加速、频谱报警、FFT和数据存储,抗冲击性能高达10000 g,具有直流响应能力,并且尺寸更小、重量更轻。ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357具有超低的噪声和出色的 温度稳定性,非常适合状态监控应用,但其带宽限制使其无法进行更加深入的诊断分析。然而,即便带宽范围有限,这些加速度计也能提供重要的测量值;例如,在设备转速超低的风力涡轮机状态监控中。这种情况下,需要低至直流的响应。

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图3. 转动设备故障振动伪像。

ADXL100x系列单轴加速度计针对工业状态监控应用而优化,测量带宽高达50 kHz,g值范围高达±100 g,并且拥有超低的噪声性能——因而在性能方面可与压电加速度计不相上下。有关ADI MEMS电容式加速度计与压电加速度计的详细讨论请参阅以下文章:MEMS加速度计性能已臻成熟。

ADXL1001/ADXL1002的频率响应如图4所示。旋转机械中发生的主要故障(如套筒轴承损坏、对准误差、不平衡、摩擦、松动、传动装置故障、轴承磨损和空化)都在ADXL100x系列状态监控加速度计的测量范围以内。

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图4. ADXL1001/ADXL1002的频率响应、高频(>5 kHz)振动响应;激光振动计控制器以ADXL1002封装为基准以提高准确性。

压电加速度计通常不集成智能特性,而MEMS电容式加速度计(如ADXL100x系列)则集成了超量程检测电路,当发生超过指定g值范围约2倍的严重超量程事件时,该电路可报警。在智能测量和监控系统的开发中,这项功能非常关键。ADXL100x运用某种内部时钟智能禁用机制来在持续发生超量程事件时保护传感器元件,比如,电机发生故障时就会出现情况。这种方式可以减轻主机处理器的负担,并能增加一个传感器节点的智能化程度——这两项都是状态监控和工业物联网解决方案的关键指标。

MEMS电容式加速度计在性能上已经取得巨大飞跃,因此,新的ADXL100x系列已经开始强力竞争并夺得以前由压电传感器主导的阵地。ADXL35x系列具有行业最佳的超低噪声性能,还能取代CBM应用中的传感器。新型CBM解决方案和模式已经开始与物联网架构相融合,形成更好的检测、连接及存储与分析系统。ADI公司的最新加速度计将为边缘节点带来更加智能的监控,帮助工厂管理方实现完全集成的振动监控和分析系统。

对这些MEMS加速度计形成进一步补充的是第一代CBM子系统,即ADIS16227及ADIS16228半自主型全集成式宽带宽振动分析系统(如图5所示);这两款产品具有众多特性,比如六频段可编程报警、2级报警和故障定义设置、旨在减少误报的可调响应延迟、带状态标志的内部自检等。频域处理包括针对各轴的512点、实数值FFT和FFT均值功能,后一功能可降低本底噪声变化,从而提高分辨率。 ADIS16227 和 ADIS16228全集成式振动分析系统可以缩短设计时间,降低成本,降低处理器要求,减少空间限制,使其成为CBM应用的理想选择。

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图5. 数字三轴振动传感器,集成FFT分析和存储系统。

物联网/无线传感器网络

关键指标:功耗、支持智能节能和测量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽。

整个行业对物联网的前景都心知肚明。为了实现这种前景,将来几年需要部署数百万计的传感器。绝大多数这些传感器都会被安装在操作不便或空间受限的位置(如屋顶、街灯顶部、塔桅、桥梁、重型机械内等),以实现智能城市、智能农业、智能楼宇等概念。由于存在诸如此类限制,很可能一大部分这些传感器需要采用无线通信和电池供电方式,也可能需要某种形式的能量采集方式。

物联网应用的趋势是尽量减少以无线方式传输至云端或本地服务器进行存储和分析的数据,因为现有方法需要很高的带宽并且成本较高。通过在传感器节点进行智能处理,可以把无用数据与有用数据区分开,减少传输大量数据的必要性,从而降低带宽和成本要求。这就要求传感器具备智能特性,同时还要维持超低的功耗水平。标准物联网信号链如图6所示。在网关以外,ADI公司可为各个模块提供解决方案。请注意,并非所有解决方案都需要无线连接,对于众多应用来说,有线解决方案仍有必要,无论是RS-485接口,4 mA至20 mA,还是工业以太网等。

使节点具备一定的智能之后,就可以通过信号链只传输有用的数据——节省电能和带宽。在CBM中,在传感器节点局部完成的处理量取决于多个因素,如机器的成本和复杂性与状态监控系统的成本。传输的数据从简单的超范围报警到数据流不尽相同。ISO10816等标准规定了相应的报警条件,当给定尺寸的机器以特定RPM转速运行时,如果振动速度超过预设阈值,机器就会输出报警信号。ISO 10816的目的是优化被测系统及其滚动轴承的有效寿命,因此需要减少传输的数据量,从而为在WSN架构中的部署提供更好的支持。

对于用在ISO 10816应用中的加速度计,要求其g值范围为50g或以下并在低频下保持低噪声,因为系统会周期性地把加速度数据整合起来,以形成以mm/sec rms为单位的单一速度点。当整合含有低频噪声的加速度计数据时,速度输出中的误差可能会线性增大。ISO标准规定的测量范围为1 Hz至1 kHz,但用户都希望整合低至0.1 Hz的数据。传统上,在电荷耦合压电加速度计中,这受到了低频高噪声水平的限制,但ADI下一代加速度计能使本底噪声最低保持在直流水平,只受信号调理电子器件1/f的噪声转折频率的限制,通过细心的设计可使该值降至0.01 Hz。MEMS加速度计既可以用在面向低成本设备的经济型CBM应用中,也可以整合到嵌入式解决方案之中,因为与压电传感器相比,它们的尺寸更小、成本更低。

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图6. ADI公司的边缘传感器节点解决方案。

ADI公司广泛的加速度计产品是要求超低功耗的智能传感器节点的理想选择,其中集成多种特性,有助于延长电池寿命、减少带宽用量并因此降低成本。物联网传感器节点的部分关键指标有低功耗(ADXL362、ADXL363)和丰富的特性集合,以实现能量管理和特定数据检测,如过阈值活动、谱线轮廓报警、峰值加速值和超长活动或非活动(ADXL372、ADXL375)。

在把加速数据存储在FIFO中并检查是否存在活动事件时,所有这些加速度计都能使整个系统处于关断状态。发生冲击事件时,事件发生前收集的数据被冻结在FIFO中。如果没有FIFO,如果要在事件发生之前捕捉样本,就要求处理器连续采样并处理加速信号,结果会大幅缩短电池寿命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存储超过13秒的数据,因而能清楚展示活动触发之前发生的事件。不使用功率占空比,而是在所有数据速率下均采用全带宽架构,由此防止输入信号混叠,从而维持超低功耗。

资产状况监控

关键指标:功耗、支持智能节能和测量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽。

资产状况监控(AHM)一般指在一定时间内对高价值资产进行监控,无论是在静止状态或还是在运输途中。这些资产可能是船运集装箱里的货物、远程管道、平民、战士、高密度电池等,此类资产容易受到撞击或冲击事件的影响。对于可能影响资产功能性或安全性的此类事件,物联网提供了一种理想的报告基础设施。对于AHM中使用的传感器,关键指标是能测量与资产相关的高g 冲击及冲击事件并同时保持超低功耗。当把这类传感器嵌入电池供电或便携式应用中时,要考虑的其他关键传感器指标包括尺寸、过采样和旨在精确处理高频成分的抗混叠特性,还有各种智能特性,以通过增加主机处理器休眠时间并允许用中断驱动算法检测和捕获冲击特性延长电池寿命。

ADXL372微功耗型±200 g MEMS加速度计可满足新兴资产状况监控市场对智能物联网边缘节点的需求。该器件含有专门针对资产状况监控市场开发的多项独有特性,可简化系统设计,并在系统层次实现节能目的。高g事件(如冲击或撞击)通常与较宽频率下的加速度成分密切相关。要准确捕获这些事件,需要宽带宽,因为在带宽不足的条件下进行测量会显著降低记录事件的幅度,导致错误。在数据手册中这是要特别注意的一项关键参数。有些器件达不到奈奎斯特采样速率标准的要求。ADXL375和ADXL372提供捕获整个冲击特性的选项,可用于进一步分析而无需主机处理器干预。使用冲击中断寄存器并结合加速度计的内部FIFO,可实现该功能。如图7所示,为了在触发事件之前确定冲击特性,有充足FIFO非常重要。如果FIFO不足,就无法记录和维持冲击事件以供进一步分析。

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图7. 准确捕获冲击特性。

ADXL372的工作带宽可在超低功耗水平下达到3200 Hz。陡峭的滤波器滚降也有利于有效抑制带外成分,为此,ADXL372集成了一个四极低通抗混叠滤波器。如果没有抗混叠滤波,凡是频率超过输出数据速率一半的输入信号都会混叠进目标测量带宽,导致测量误差。该四极低通滤波器提供用户可选滤波器带宽,因而可为用户应用带来极大的灵活性。

借助即时导通冲击检测特性,用户可以对ADXL372进行配置,使其能在超低功耗模式下捕获高于特定阈值的冲击事件。如图8所示,在发生冲击事件之后,加速度计会进入全测量模式,以便准确地捕获冲击特性。

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图8. 默认阈值下的即时导通模式。

有些应用要求只记录来自冲击事件的峰值加速样本,因为此类样本本身就能提供充足的信息。ADXL372 FIFO可以为每个轴存储峰值加速样本。FIFO中可以存储的最长时长为1.28秒(400 Hz ODR条件下,512个单轴样本)。3200 Hz ODR条件下的170个3轴样本相当于一个50 ms的时间窗口,足以捕获到典型的冲击波形。对于不要求完整事件特性的应用,通过只存储峰值加速信息,可以大幅增加FIFO读取操作之间的时间,从而实现进一步节能。512个FIFO样本可以通过多种方式分配,包括下列方式:

  • 并行3 轴数据的170 个样本集
  • 并行2 轴数据的256 个样本集(用户可选)
  • 单轴数据的512 个样本集
  • 170 个冲击事件峰值集(x, y, z)

适当使用FIFO,使主机处理器能在加速度计自主收集数据时长时间保持休眠,可以降低系统级功耗。或者,使用FIFO收集数据可以减轻主机处理器的负荷,使它能处理其他任务。

市场上还有其他几款具有类似高g性能的加速度计,但它们不适合AHM/SHM物联网边缘节点应用,因为它们的带宽较窄,功耗较高。在提供低功耗模式的情况下,无法进行准确测量的一般都是低带宽。ADXL372真正实现了即用即忘的AHM/SHM实施模式,促使最终客户在可行的情况下重新考虑潜在资产类别。

结论

ADI公司提供面向多种应用的广泛加速度计产品,其中有些产品未在本文中重点讨论,比如航位推算、AHRS、惯性测量、汽车稳定和安全、医疗对准等。我们的新一代MEMS电容式加速度计非常适合要求低噪声、低功耗、高稳定性和温度稳定性的应用;具有低补偿的特性,并且集成众多智能特性,可提升系统整体性能并降低设计复杂度。ADI公司提供所有相关数据手册信息,旨在帮助您为您的应用选择最合适的器件。以上列出的所有器件以及其他器件均可供评估和原型制作使用。更多信息,请访问:analog.com/MEMS 。

参考电路

Broeders, Jan-Hein. “从可穿戴设备过渡到医疗设备,”ADI公司,2017年。

Scannel, Bob. “嵌入式智能和通信可实现可靠且连续的振动监控,”ADI公司,2015年。

Spence, Ed. “关于状态监控的MEMS加速度计您需要知道哪些,”ADI公司,2016年。

关于作者

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公司
转载地址:http://www.analog.com/media/cn/analog-dialogue/volume-51/number-4/articl...
声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有,如涉及侵权,请联系小编进行处理。

围观 22

作者:ADI公司 电源产品部 高级产品市场工程师 Steve Knoth

背景信息

可穿戴设备不再仅是在炫酷的科幻电影中才能看到的东西 (感谢《007》、《少数派报告》、《至尊神探》这些电影!),使用可穿戴设备也不再只是梦想,可穿戴设备已经蔚然成风。最初,可穿戴设备很简单,例如走路或跑步计步器。不过,经过短时间后,可穿戴设备就变得比较先进了,或者说更加智能了,包括更加重视外观设计而不是只重视功能,因此增大了这类设备的总体吸引力。从智能服装、谷歌眼镜、先进的健身活动跟踪器、虚拟现实设备、夜视设备到平视显示器,可穿戴设备已经成为主流消费、军用和工业市场的组成部分。“可穿戴设备”可定义为用户可以长时间穿戴的产品,而且由于穿戴了这种产品,用户体验以某种方式得到了提升。“智能的”可穿戴设备增加了连接功能和独立的数据处理功能。可穿戴设备分成 5 种应用子类:健身 / 健康 (活动监视器、健身腕带、脚踏计和心率监视器);信息娱乐 (智能眼镜/防护镜、智能手表和成像设备);军用 (夜视设备、平视显示器、人体外骨骼和智能服装);工业 (可穿戴终端) [信息来源:HIS Electronics and Media,2013]。这些应用的采用率是由不同的市场驱动力推动的。就军事应用而言,驱动力是希望改善情境识别能力、地图 / 路线、战斗效率以及挽救生命。就工业应用而言,主要的驱动力是提高生产线效率和追踪能力。就信息娱乐应用而言,驱动力来自采用尖端成像和虚拟现实技术的持续爆炸性增长之游戏市场,以及越来越多能够无线连接智能手机以使其成为“物联网 (IoT)”组成部分的设备。最后,就健康和医疗市场而言,主要的驱动力包括:预期寿命延长、削减医疗保险费用不断上涨、以及延长健康生活时间和减少住院。

运用生物统计信息实现健康生活

生物统计信息反映的是人体基本功能的生命体征。这类信息包括体温、脉搏 / 心率、呼吸频率和血压。这些信息至关重要,因为生命体征出现负面变化可能表示健康度下降,反之亦然。显然,医院和医生诊室都配备了昂贵的设备,以测量这些生物统计信息。不过,如果这些生物统计信息能够高效、低成本地在医疗环境以外测量,那么生活质量就有可能得到很大的改善。例如,在家中或者在工作环境中,可以随时随地实时地改变生活方式和行为方式,从而改善健康度,并有可能延长甚至挽救生命。幸运的是,由于设备价格降低和传感器技术改进,用于医疗保健目的的智能可穿戴设备出现了激增。这其中包括较简单和可以附着在身体上的“单体征”检测产品,也包括较复杂、充满传感器且覆盖全身的人体外骨骼。不过,从集成电路 (IC) 电子组件的角度来看,给这些可穿戴设备分区并为其高效率供电并非微不足道之事。为了进一步理解这一点,我们接下来深入剖析典型的智能可穿戴设备。

典型智能可穿戴设备

典型智能可穿戴设备包括哪些功能? 人们可能会把这种设备看成微型嵌入式系统。显然,准确分区取决于设备自身,不过,一般而言,智能可穿戴设备的核心架构由以下各部分组成:

  • 一个微处理器或微控制器或类似 IC
  • 某些种类的微型机电传感器 (MEMS)
  • 小型机械致动器
  • 全球定位系统 (GPS) IC
  • 蓝牙 / 蜂窝 / Wi-Fi 连接,以收集 / 处理和同步数据
  • 成像电子组件,LED
  • 计算资源
  • 可充电或主 (非可充电) 电池或电池组
  • 支持性电子组件

可穿戴产品的主要设计目标通常是实现紧凑的外形尺寸、轻重量以实现可穿戴性 / 舒适性、以及超低的能耗以延长电池运行时间 / 寿命。不过,用最小的电流、高效率、准确地给这类设备供电并不那么简单。与智能可穿戴设备供电有关的一些关键问题如下:

1)在电池供电设备中,电源管理 IC 能否消耗很小的电流对延长运行时间至关重要。微功率或毫微功率转换 IC 是必要的。

2)MEMS 传感器要求用噪声很低的稳定电源供电。繁忙的致动器也可以受益。LDO 或低纹波开关稳压器非常适合这种轨,因为这些稳压器具很低的输出噪声。

3)蓝牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窝连接系统轨也要求低噪声。低压差稳压器或 (因为输出电流可能很大) LDO 后稳压开关稳压器或低纹波开关稳压器都是极好的选择。

4)处理器 (可穿戴设备的“大脑”) 电源。从 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA,都需要各种低压轨,以全方位涵盖各种大小的电流。这些组件可以由 LDO 或开关稳压器供电。

5)不是所有可穿戴设备都由可充电电池供电,有些也许使用主 (非可充电) 电池,而这类电池需要在两次更换之间提供较长的运行时间,因此,找到估计电池运行时间的方法是关键。

6)紧凑的尺寸和很轻的重量使可穿戴设备更舒适易用。采用紧凑型封装的 IC 可构成占板面积很小的解决方案,从而使设备既能够具有小的外形尺寸、重量又很轻。

超低静态电流 IC 解决方案

显然,满足可穿戴应用需求的 IC 解决方案以及上面讨论的相关问题应该具备以下特性:

  • 超低静态电流,无论是运行模式还是停机模式
  • 很宽的输入电压范围,以适合各种电源
  • 能够高效率给系统轨 (有些具 >5V 较高电压) 供电
  • 能够准确地进行库伦计数以确定电池运行时间,且不会显著影响 IC 静态电流 (电池消耗电流)
  • 占板面积很小、重量很轻的扁平解决方案
  • 先进的封装可改善热性能和空间利用率

幸运的是,ADI公司最近推出了一些产品,例如超低 IQ LTC3388/-x 降压型稳压器、毫微功率 LTC3331 能量收集稳压器以及集成了库伦计数器的 LTC3335 降压-升压型转换器都已经具备了大部份这些特性。

LTC3388 是一款超低静态电流同步降压型转换器,在 2.7V 至 20V 输入电源电压范围内,可提供高达 50mA 连续输出电流。LTC3388 的无负载工作电流仅为 720nA,从而使该器件非常适合多种电池供电的低静态电流电源应用,例如“持续运作型”电源和可穿戴设备。其迟滞同步整流在很宽的负载电流范围内优化了效率。针对 15µA 至 50mA 的负载而言,该器件还提供超过 90% 的效率,且在稳定时仅需要 720nA 无负载静态电流,因此延长了电池寿命。LTC3388 采用 3mm x 3mm DFN 封装 (或 MSOP-10),仅需 5 个外部组件,因此能够为多种低功率应用构成非常简便和占板面积非常紧凑的解决方案。图 1 显示了 LTC3388 的典型应用电路。

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图 1:简便的 LTC3388-1 典型低压应用电路

毫微功率静态电流 IC

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降压-升压型转换器,内置了精确的库伦计数器,提供高达 50mA 连续输出电流。该器件具仅为 680nA 的静态电流,可编程峰值输入电流从低至 5mA 直至 250mA,非常适合多种低功率电池应用,例如在可穿戴设备和 IoT 设备中见到的那些应用。其 1.8V 至 5.5V 输入电压范围和 8 个 1.8V 至 5V 的用户可选输出允许在输入电压高于、低于或等于输出电压时,提供稳定的输出电源。此外,该器件集成的精确 (±5% 电池放电测量准确度) 库伦计数器可在长寿命不可再充电的电池供电应用中,对累积电池放电提供准确监视,这类应用在很多情况下具极其平坦的电池放电曲线。典型应用包括无线传感器、远程监视器和ADI的 Dust Networks® SmartMesh® 系统。LTC3335 包含 4 个内部低 RDSON MOSFET,可提供高达 90% 的效率。其他特点包括一个可编程放电报警门限、一个用于存取库伦计数值和器件设定的 I2C 接口、一个电源良好输出和 8 个 5mA 至 250mA 的可选峰值输入电流以适合多种类型和尺寸的电池。采用耐热增强型 20 引线 3mm x 4mm QFN 封装的 LTC3335 的工作结温范围为 -40°C 至 +125°C。图 2 显示了 LTC3335 的典型应用电路。

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图 2:简化的 LTC3335 应用原理图

LTC3331 是一款完整的能量收集解决方案,提供高达 50mA 连续输出电流,当可收集能量可用时能延长电池寿命。简便的 10mA 分流器用收集的能量给可充电电池充电,同时低电池电量断接功能保护电池免于深度放电。当用收集的能量向负载提供稳定功率时,该器件仅需要电池提供 200nA 电源电流,当在无负载情况下由电池供电时,仅需要 950nA 工作电流。LTC3331 集成了一个高压能量收集电源、一个电池充电器和一个同步降压-升压型 DC/DC 转换器,可为能量收集应用提供一个持续稳定的输出,例如无线传感器网络中的能量收集应用。能量收集电源由适合 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和高效率降压型转换器组成,从压电 (AC)、太阳能 (DC)、或磁性 (AC) 能源收集能量。当没有收集能量可用时,可充电电池输入给降压-升压型转换器供电,该转换器在直至 4.2V 的整个电池电压范围内运行,无论输入高于、低于或等于输出,都可调节输出。当收集能源不再可用时,LTC3331 自动转换至电池。LTC3331 的能量收集输入在 3V 至 19V AC 或 DC 电压范围内运行,从而使该器件非常适合多种压电、太阳能或磁性能源。其输入欠压闭锁门限设定是可编程的,范围为 3V 至 18V,从而使应用能够在峰值功率传送点上运行能量收集电源。其他特点包括引脚可编程输出电压和降压-升压峰值电流限制、一个超级电容器平衡器和一个输入保护性分路器。LTC3331 采用耐热增强型 5mm x 5mm QFN 封装。图 3 显示了 LTC3331 的典型应用电路。

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图 3:LTC3331 的典型应用电路

结论

智能可穿戴设备不再仅是虚构的电影小工具,智能可穿戴设备市场正处于爆炸性增长,这个市场涵盖多种强调设计美观和功能的产品,以及面向健康和健身、医疗、信息娱乐、军事和工业应用领域的产品。例如,充满传感器的医疗保健可穿戴产品可在医疗设施外外监视关键的生物统计信息,例如心率和血压,为拥有更积极、更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,但本质上都是由微控制器、MEMS 传感器、无线连接、电池和支持性电子组件组成。给小电流可穿戴设备高效率供电可以证实是非常有挑战性的,不过ADI提供了一系列领先的、能够以低功率提供非常高性能的产品,这些产品已经帮助促进了可穿戴设备市场的增长。诸如超低 Iq LTC3388 能量收集降压型稳压器以及毫微功耗的 LTC3331 能量收集降压型稳压器和集成了库伦计数器的 LTC3335 降压-升压型稳压器等器件,都可以显着地简化和改善智能可穿戴设备的性能。

本文转载自:ADI公司
声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有,如涉及侵权,请联系小编进行处理

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作者:Landa Culbertson, Mouser Electronics

可穿戴设备中的电源管理技术
超低功耗的电源转换是实现可穿戴设备最佳电源续航的关键。以下是一些最新的低功率产品或者高效直流-直流转换产品。

TI的 TPS727xx系列,250mA LDOs 特色是有着极小的仅为7.9µA静态电流,低漏失电流(100mA典型电压为65mV,200mA典型电压为130mV,250mA典型电压为163mV),宽输出电压和负载瞬态响应。LDO还有一个特点是有着高电源电压抑制比(PSRR),在RF应用上有着1kHz 70dB的平稳表现,有着小的低成本的10µA陶瓷电容器。

如今TI推出的还有TPS82740B 200mA升降压转换模块,能提供95%的转换率,在工作时仅消耗360nA lq,而安静时更仅为70nA。小型模块可用于完全整合,合并了交换调整器,感应器和输入/输出电容9-bump MicroSiP™组件,实现了仅6.7mm2大小的尺寸。

图3: 低功率TPS82740x 360nA Micro SIP 升降压转换器模块

图3: 低功率TPS82740x 360nA Micro SIP 升降压转换器模块

升压转换通常不如降压转换有效率。不过,在各种系统电路中对电池升压很常见,尤其是显示电路,Maxim有新1A升压转换器,MAX8627能使单电池锂电池的输出电压从3V升高到5V,并可实现高达95%的转换率而只消耗20µA lq。Silicon Labs现在有TS33x升压转换器,拥有行业领导的低至150nA的lq。TS33x增加输入电压从0.9V到3.6V,并且有8个可选择的范围为1.8V到5V的输出电压。

蓝牙,微控制器和其它低功率方案

事实上,当试图延长可穿戴设备电池续航时系统中的所有东西都需要考虑到

一个常见的省电的方式就是关闭一些高耗电的功能,如一些处理和显示功能,例如智能手表、平板或电脑。Bluetooth® Smart或者叫低耗蓝牙,已经是大多数新智能手表中的标配,因此是可穿戴设备无线交流方式标准。蓝牙也可用于从智能手机传送信息到智能手表,并且TI提供了一个“蓝牙可穿戴手表发展系统”叫做 TI Meta Watch™ 确保了相关手表设备的快速发展。Meta Watch SDK/API 使在手表上从手机应用或网络服务上接受信息很容易。开发系统包括有显示屏的智能手表,和一个3 ATM 防水不锈钢外壳,皮带表,水晶镜面,震动电机,三轴加速计和环境光感应器。

图4:德州仪器Meta Watch™ Bluetooth® 可穿戴手表开发系统确保了“可连接手表”应用的快速发展。

图4:德州仪器Meta Watch™ Bluetooth® 可穿戴手表开发系统确保了“可连接手表”应用的快速发展。

Meta手表平台已为低功耗优化,基于TI16位的MSP430™超低功率的微控制器 (MCU)和CC2564蓝牙主控器界面方案。

选择MCU对可穿戴设备的电源管理很重要,高效的MCU能加速导入数据并迅速进入睡眠状态,保存电量。低耗能睡眠模式能有效减少电源消耗。可穿戴设备的设计者比之前有更多MCU的选择,32位比16位更有成本竞争力。为成本和功率敏感的MCU优化的ARM的Cortex-M系列32位处理器核心已经能预见到在可穿戴市场的成功。从超低功耗的Cortex-M0和 M0+到高性能的 Cortex-M7,ARM Cortex-M 系列可以提供能满足不同需求的各种穿戴设备。基于ARM-Cortex-M系列的MCU如今许多厂商都可提供,包括德州仪器,和STMMicroelectronics,有着STM32 MCU巨大的生产线,包括STM32L1和L0 超低功耗MCU。

最后,一定要考虑到可穿戴设备中无数传感器的电源管理。传感器技术是加速可穿戴市场发展的催化剂。但是我们不能忘记传感器的外围电路。STMicro可用于有低功耗传感器信号调理的可穿戴传感器,它的QA4NP 低功耗四通道运算放大器,每通道只消耗580nA(在1.8V的电源供给下)。

以上只是对低功耗电源管理技术的管中窥豹,和产品协作来设计能满足可穿戴市场超低功耗电源系统是激发这个市场的关键,有必要认识到超低功耗设备不仅对穿戴设备很重要,新的低耗技术对那些依赖电池供电和能量收集供电的应用也很重要。

原文链接:
http://www.mouser.com/applications/battery-life-wearable-devices/

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