如何將加速度計融入到可穿戴設(shè)備中

加速度計是可穿戴設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。幾乎所有設(shè)備都可以從了解其方向中受益，并且添加加速度計提供了實現(xiàn)復(fù)雜用戶界面的新方法。如果系統(tǒng)知道它是如何移動的，它可以以不同的方式響應(yīng)，從改變屏幕以反映位置或方向到支持手勢控制。已經(jīng)封裝在加速度計中以提供位置數(shù)據(jù)的處理能力也被輕敲以提供用于這種設(shè)計的傳感器融合中樞。這可以節(jié)省空間，重量和功率，允許其他傳感器連接到加速度計，而無需使用中央控制器或應(yīng)用處理器中的處理周期。

所有這些都是手機行業(yè)的先驅(qū)，但加速度計是進入更多設(shè)計，從健身系統(tǒng)到智能手表。接口也在變化，從模擬接口轉(zhuǎn)移到簡單的數(shù)字鏈路，再到包含其他傳感器數(shù)據(jù)的控制器。可穿戴設(shè)備的加速度計包括2軸和3軸設(shè)備，最高6軸，集成溫度和均勻磁傳感器，可在設(shè)計中提供更多功能。

MMA3202系列雙軸（X和Y）硅電容式微機械加工飛思卡爾半導(dǎo)體的加速度計具有信號調(diào)理功能，4極點低通濾波器和溫度補償以及兩個軸的獨立輸出。零g偏移滿量程跨度和濾波器截止是出廠設(shè)置，無需外部設(shè)備，因此更容易包含在設(shè)計中，因為生產(chǎn)線中不需要調(diào)整。同樣，完整的系統(tǒng)自檢功能可驗證系統(tǒng)功能。

圖1：MMA3202雙軸加速度計在X軸和Y軸上具有不同的靈敏度。

加速度計是一個表面 - 微機械電容式感應(yīng)單元（g-cell）和CMOS信號調(diào)理ASIC包含在單個封裝中，使用大容量微加工“帽”晶圓密封在晶圓級密封。

g-cell是一種機械多晶硅結(jié)構(gòu)這可以被認為是兩個固定板，其間有可移動板。通過將系統(tǒng)加速到加速度，中心板可以從其靜止位置偏轉(zhuǎn)，并且這種變化被捕獲為板之間的電容變化。 CMOS ASIC使用開關(guān)電容技術(shù)測量g-cell電容器，并從兩個電容器之間的差異中提取加速度數(shù)據(jù)。 ASIC還為信號提供信號條件和濾波器（開關(guān)電容），提供與加速度成比例的高電平輸出電壓，X軸和100軸的靈敏度分別為100 g和50 g。

圖2：將MMA3202雙軸加速度計集成到設(shè)計中。

2軸器件可以作為可穿戴設(shè)計的一部分輕松連接，盡可能靠近帶有0.1μF電容的中央微控制器在電源線上解耦電源。確保加速度計下方有一個接地層有助于降低噪聲，并且該接地層應(yīng)連接到接口中的所有開放式端子。

加速度計輸出端的1kΩ和0.01μFRC濾波器將有助于最大限度地減少開關(guān)電容濾波器電路的時鐘噪聲。此外，重要的是要確保電源和接地的PCB布局不會耦合電源噪聲，并且加速度計和微控制器不是高電流路徑。選擇A/D采樣速率和任何外部電源的開關(guān)頻率，使它們不會干擾內(nèi)部加速度計采樣頻率，可以防止混疊誤差，從而導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生錯誤結(jié)果并提供系統(tǒng)的虛假響應(yīng)。 》加速度計還可用于高級可穿戴設(shè)計中的導(dǎo)航，現(xiàn)在來自英維思的ADIS16305 iSensor提供完整的慣性系統(tǒng)，包括陀螺儀和三軸加速度計。每個傳感器都將iMEMS技術(shù)與優(yōu)化動態(tài)性能的信號調(diào)理相結(jié)合，工廠校準表征每個傳感器的靈敏度，偏置，對齊和線性加速度。因此，每個傳感器都有自己的動態(tài)補償公式，可在各種條件下提供精確的傳感器測量。

ADIS16305提供了一種簡單，經(jīng)濟的方法，用于集成精確的多軸慣性傳感，作為所有必要的運動測試和校準是工廠生產(chǎn)過程的一部分，大大縮短了系統(tǒng)集成時間改進的SPI接口和寄存器結(jié)構(gòu)提供更快的數(shù)據(jù)采集和配置控制，ADIS16305使用與ADIS1635x，ADIS1636x和ADIS1640x系列兼容的引腳排列，與接口flex連接器配合使用。

用戶寄存器為所有用戶提供尋址SPI接口上的輸入/輸出操作。每個16位寄存器有兩個7位地址：一個用于高位字節(jié)，另一個用于低位字節(jié)。雖然ADIS16305獨立產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但它作為SPI從器件工作，使用16位段與系統(tǒng)處理器作為主器件進行通信。各個寄存器讀取需要這些16位序列中的兩個，第一個提供讀命令位（R/W = 0）和目標寄存器地址（A6至A0）。第二序列在數(shù)據(jù)OUT（DOUT）線上發(fā)送寄存器內(nèi)容（D15至D0）。 SPI工作在全雙工模式，這意味著主處理器可以讀取DOUT的輸出數(shù)據(jù)，同時使用相同的系統(tǒng)時鐘脈沖在DIN上傳輸下一個目標地址。

同時，STMicroelectronics的A3G4250D很低 - 功率3軸角速率傳感器，在零速率水平下具有高穩(wěn)定性，并且在整個溫度和時間內(nèi)具有靈敏度。傳感元件與接口芯片相結(jié)合，通過標準SPI數(shù)字接口為外部世界提供測量的角速率，以簡化與控制器的集成。還提供I2C兼容接口。傳感元件采用意法半導(dǎo)體開發(fā)的專用微加工工藝制造，在硅片上生產(chǎn)慣性傳感器和執(zhí)行器。 A3G4250D具有±245 dps的滿量程，可以通過用戶可選帶寬測量速率，因此僅使用應(yīng)用所需的功率。

圖3：A3G4250D的結(jié)構(gòu)3來自意法半導(dǎo)體的軸式加速度計。飛思卡爾的Xtrinsic FXOS8700CQ是一款帶有集成線性加速度計和磁力計的6軸傳感器，可用于從便攜式導(dǎo)航設(shè)備到醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的可穿戴設(shè)計。雖然規(guī)格說明了6軸，但塑料封裝結(jié)合了3軸線性加速度計和3軸磁力計，可選擇I2C或點對點SPI串行接口，帶有14位加速度計和16位磁力計ADC分辨率，來自數(shù)字信號處理器的其他嵌入式功能。

FXOS8700CQ具有動態(tài)可選的加速度滿量程范圍±2 g/±4 g/±8 g，固定磁性測量范圍為±1200μT。輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）范圍為1.563 Hz至800 Hz，用戶可以為每個傳感器選擇。交錯磁場和加速度數(shù)據(jù)的ODR速率高達400 Hz?？?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程自動ODR更改還使用自動喚醒并返回休眠功能以節(jié)省功耗，這適用于磁性和加速事件中斷源。

圖4：Xtrinsic FXO8700CQ 6軸加速度計和磁傳感器可用于為可穿戴系統(tǒng)構(gòu)建電子羅盤。

結(jié)論

當(dāng)今許多加速度計提供從加速度計到中央處理器的簡單SPI或I2C接口，使設(shè)計人員的集成更加簡單無論是使用2軸，3軸還是6軸傳感器的可穿戴系統(tǒng)。但是，必須注意傳感器的放置。避免高電流路徑并確保選擇采樣率以避免開關(guān)模式電源的抗混疊并確保數(shù)據(jù)盡可能準確。這允許設(shè)計人員為最新的可穿戴設(shè)備添加各種新的用戶界面技術(shù)和定位功能。