對開發人員而言，消費者和醫療可穿戴設備設計在小型、低功耗和高功能性方面提出了獨特的挑戰。在使用集成度更高的傳感器（如加速計和陀螺儀）時，開發人員還必須找到合適的傳感器和微控制器組合，以確保實現精度、分辨率和功耗之間的最佳平衡，從而延長電池壽命。

本文將介紹如何平衡可穿戴設備的功耗和性能。然后將討論傳感器選擇，隨后介紹傳感器解決方案示例及其應用和供電方式。

平衡功耗與性能

最常見的可穿戴式應用是健身或健康監測，因此所有可穿戴設備都包含測量一些外部參數并將參數饋送給系統微控制器的傳感器。鑒于尺寸和成本限制以及對積極用戶體驗的需要，在設計可穿戴設備時要滿足的最重要的設計目標就是延長電池壽命。因此，元器件的選擇非常關鍵；可穿戴設備開發人員花費數月時間為不到十幾個元器件做采購決策是常事。

對于嵌入式系統，功耗通常隨著性能的提高而增加。這要求開發人員采取平衡措施，選擇具有正確性能和功耗組合的元器件。選擇具有高度靈活性的元器件允許開發人員在開發周期中進行試驗，以找到此類平衡。

微控制器和一些傳感器通常具有足夠的可編程性，幫助在固件開發期間實現這種平衡。例如，微控制器可進入休眠狀態，此時大多數內部電路會關閉，從而使功耗降至涓流。雖然一些傳感器通常具有休眠或低功耗模式，但許多也具有可調采樣率。這一點很重要，因為傳感器功耗會隨采樣率線性增加，因此固件開發人員可以在監控功耗的同時試驗各種采樣率。

選擇傳感器

可穿戴設備最常用的傳感器是用于感測系統運動變化的加速計。陀螺儀可感測圍繞軸的角度旋轉，因而它可用于感測該運動的方向。以下是選擇典型加速計和陀螺儀時需要考慮的關鍵因素：

尺寸和形狀：鑒于尺寸和重量的限制，選擇傳感器時首先要考慮的就是尺寸和形狀。無論規格多么驚艷，如果在機箱內部不適合，那就不可行，任何不必要的重量都會影響用戶體驗。

功耗：許多小型傳感器專為電池供電的小型應用而設計，功耗在這些應用中至關重要。應尋找 5 mm x 5 mm 或更小的傳感器。

精度和分辨率：了解應用的精度和分辨率要求，然后選擇能夠輕松滿足這些要求的傳感器。這可以簡化開發和節省時間。此外，還可以使設備容納可能需要的固件更新，以便在出現問題或需求發生變化時提高精度。對于大多數可穿戴設備而言，12 位或更高分辨率很常見。

微控制器接口：了解傳感器如何與微控制器連接。存在模擬和數字兩種類型的接口。模擬接口輸出與被感測環境行為的值成比例的電壓。模擬接口在可穿戴式應用中的使用有限，因為它們需要微控制器來使用高耗電的模數轉換器 (ADC) 或比較器。串行數字接口才是首選，例如 I2C 或 SPI。許多現代傳感器提供兩種接口。

如要根據上述標準，從所有可用供應商處找到正確的傳感器，可能非常耗時。但是，Digi-Key Electronics 等授權分銷商通過為傳感器選擇提供在線資源，簡化了這一過程。例如，Digi-Key 的加速計在線選擇頁面極大地簡化了依照標準選擇傳感器的過程，將原來需要一個下午的采購變為幾分鐘就能完成的工作。

一些供應商，如 Bosch Sensortec，擁有專門針對可穿戴設備的整個產品線。這些產品線具有功耗低、尺寸小和模式靈活的特性，可實現精度與功率的平衡。

例如，Bosch Sensortec BMA423 是一款 3 軸、12 位加速計，采用 12 引腳 LGA 封裝，尺寸為 2 mm x 2 mm（圖 1）。它可以配置為支持 SPI 或 I2C 接口，可編程加速度范圍為 ±2 g、±4 g、±8 g 和 ±16 g。

BMA423 可謂是“智能傳感器”，因為它采用內部加速計的原始數據并在內部處理數據，從而為開發人員提供有用的結果。這可為微控制器減掉一些負載并加快開發速度。當在可穿戴健身應用中使用時，它可以檢測用戶是靜止不動、跑步還是走路。

圖 1：Bosch Sensortec BMA423 是一款適用于可穿戴設備的小型 3 軸 12 位加速計，基底面 2 mm x 2 mm，高度 0.95 mm。（圖片來源：Bosch Sensortec）

BMA423 設計用于最大限度地減少外部元器件數量，如圖 2 所示。為了提高抗噪性，建議在 VDDIO 和接地之間以及 VDD 和接地之間使用 100 納法 (nF) 去耦電容器。省去這些電容器可以節省寶貴的空間，但可能會損失精度。

圖 2：Bosch BMA423 3 軸加速計設計用于最大程度地減少部件數量，并在使用 I2C 接口時簡化電路板布局。（圖片來源：Bosch Sensortec）

Bosch Sensortec 為其所有傳感器提供固件。在給 BMA423 上電時，它會經歷一個內部上電復位 (POR) 序列。在系統 POR 之后，微控制器應運行 Bosch 的 BMA423 初始化程序，以正確配置芯片。

初始化程序首先讀取內部芯片 ID，并把該 ID 與存儲在固件中的芯片 ID 進行比較。這將驗證 BMA423 是否可用并與微控制器正確通信。接下來，初始化程序運行短自檢以驗證能否正常運行，自檢結果被發送回微控制器。設備初始化后，會處于性能模式，這是傳感器的最高功率和最高性能狀態。

BMA423 具有許多用于低功耗運行的特性，包括 1024 字節寬的 FIFO。這讓加速計能夠在微控制器處于低功耗或休眠模式時檢測和存儲數據。由于不需要微控制器不斷地與 BMA423 通信，這在非實時應用中節省了功耗。一旦 FIFO 中的加速計數據達到預編程的 FIFO 級別，就會產生中斷以喚醒微控制器，然后微控制器轉而執行驅動子程序以讀取 FIFO 數據。

BMA423 的最低功耗模式是掛起模式。在掛起模式期間，不執行內部加速計測量，同時保持 FIFO 和內部寄存器的狀態。

為了降低非實時應用中的運行功耗，應將 BMA423 置于低功耗模式而不是默認的性能模式。這會關閉 BMA423 的各個部分，包括外部 I2C 和 SPI 接口，同時將數據記錄到 FIFO 中。在低功耗模式下，BMA423 會根據固件編程占空比設定的采樣率在性能模式和休眠模式之間定期切換。采樣率越低，BMA423 的功耗越低。調整此占空比可針對傳感器功耗調整所需的精度。

在健身可穿戴式應用中使用 BMA423 時，使用中斷特性引擎可以簡化開發。它就像一個計步器，可以自動檢測步數，并檢測用戶是走路、跑步還是靜止不動。它還可以檢測用戶是否傾斜可穿戴設備，檢測設備上的雙擊或單擊震動，或檢測設備是否在移動。使用特性引擎而不是編寫自定義代碼可簡化開發。

對于精度要求極高、更復雜的可穿戴應用，可以使用慣性測量裝置 (IMU) 傳感器。IMU 在一個封裝中集成了加速計和陀螺儀。Bosch Sensortec BMI160 IMU 在一個封裝中集成了一個 3 軸 16 位微機電系統 (MEMS) 加速計和一個 3 軸 16 位 MEMS 陀螺儀。IMU 加速計執行 BMA423 的所有功能，而陀螺儀使設備可以檢測運動方向。這讓 BMI160 能夠確定相對位置、距離和速度，但功耗低于 GPS。但是，它通常用于在更先進的可穿戴設備中增強 GPS。在此類應用中，GPS 提供絕對定位和位置信息，但是如果 GPS 信號消失，IMU 可以跟蹤運動和加速度，直到重新獲取 GPS 信號。

BMI160 的封裝類似于 BMA423，但基底面為 2.5 mm x 3.0 mm，高度為 0.83 mm。與 BMA423 一樣，它也支持 I2C 和 SPI 接口，并具有一個 1024 字節 FIFO。

使用 IMU 進行航位推算

加速計無法感應恒定速度，只能感知速度的變化。但是，可以通過獲取加速度數據隨時間的積分來計算速度。為了獲得可接受的精度，需要具有 16 位或更高分辨率的加速計。采樣率越高，速度估計越準確，然后可以用來計算行程距離。過去，使用消費級 IMU 估算速度和距離，經常會引入隨時間累積的小誤差。但是，MEMS 傳感器在現代取得了進步，使用消費級 IMU 進行航位推算變得更加實用。

與 BMA423 一樣，BMI160 加速計也可以檢測用戶是走路、跑步還是靜止不動。通過結合根據加速計讀數計算的行程距離和根據陀螺儀讀數計算的移動方向，傳感器融合計算可以確定裝置的位置。

為了加快開發速度，可下載適用于 ARM? 微控制器的 Bosch Sensortec 環境集群 (BSEC) 融合庫。這是一個與 NXP Semiconductors 的 LPCXpresso? LPC54102 傳感器處理/運動評估板兼容的完整傳感器融合套件。該電路板提供評估多種 Bosch Sensortec MEMS 傳感器的選項，最新包括了 BMI160。

圖 3：NXP LPC54102 傳感器處理/運動評估板可用于評估許多 Bosch Sensortec MEMS 傳感器，包括 BMI160。（圖片來源：Bosch Sensortec）

NXP LPC54102 附帶 BSEC 融合庫。該評估板可通過 USB 連接器或外部電源供電。要完成開發，首先要在 PC 上安裝附帶的 LPCXpresso 軟件。通過啟動 LPCXpresso 軟件并按照簡單的屏幕說明操作，完成 LPC5102 的連接。連接后，就可以下載并安裝 BMI160 演示程序。

可穿戴設備和電池

隨著可穿戴設備變得更小和功能更強大，電池供應商面臨著生產更小和更高容量電池的挑戰。TinyCircuits 制造兩種適用于可穿戴設備的小型電池。TinyCircuits ASR00011 是一款額定容量為 70 mAh 的 3.7 伏鋰離子電池。它具有 4.2 伏的滿充電壓，并完全放電后可低至 3.0 伏。電池使用微型 JST SH 2 針 1.25 mm 母頭連接器（圖 4）。

圖 4：緊湊型 TinyCircuits ASR00011 3.7 伏鋰離子電池尺寸為 16.0?mm x 15.0?mm x 5.0?mm，重量為 1.65 克，小到足以用于健身手表。（圖片來源：TinyCircuits）

如果需要更大電池容量，TinyCircuits ASR00008 3.7 伏鋰離子電池的額定容量為 1100 mAh。尺寸為 42.0?mm x 39.0?mm x 5.5?mm，對于健身手表來說太大，但適合健康監視器。

總結

可穿戴設備給開發人員帶來了獨特的挑戰，需要在小尺寸中兼具精確的傳感器和低功耗的特點。電子元器件供應商專門為可穿戴設備制造器件，使元器件選擇更容易，同時為智能傳感器提供各種可加快設計速度的特性。