可穿戴设备、状态监测和物联网的关键规范和功能

为您的应用选择最合适的加速度计可能很困难，因为来自不同制造商的数据表可能会有很大差异，从而导致混淆最关键的规格是什么。本文的第 1 部分讨论了设计人员需要了解的关键参数和特性，以及它们与倾斜和稳定应用的关系。在本文的第 2 部分中，我们将重点介绍可穿戴设备、状态监测和物联网应用背景下的关键规范和功能。

可穿戴设备

关键标准：低功耗、小尺寸、增强节能的集成功能和可用性。

用于电池供电、可穿戴应用的加速度计的关键规格是超低功耗，通常在 µA 范围内，以确保尽可能延长电池寿命。其他关键标准是尺寸和集成功能，例如备用 ADC 通道和深度 FIFO，以帮助最终应用中的电源管理和功能。由于这些原因，MEMS加速度计通常用于可穿戴应用。表 1 按上下文显示了一些生命体征监测 （VSM） 应用程序及其相应设置。可穿戴应用中使用的加速度计通常对运动进行分类；提供自由落体检测；测量是否存在运动以提供系统开机、关机或睡眠；并帮助心电图和其他 VSM 测量的数据融合。

［表 1 | VSM可穿戴应用的运动传感要求］

在为超低功耗应用选择加速度计时，必须在数据表中规定的功耗水平下观察传感器的功能。要观察的一个关键是带宽和采样率是否降低到无法测量可用加速度数据的水平。某些部件会每秒自动关闭并唤醒以保持低功耗，这样做会由于有效采样率降低而丢失关键的加速度数据。为了测量实时人体运动的范围，必须显着增加功耗。ADXL362和ADXL363等部件不要通过欠采样来混淆输入信号；它们以所有数据速率对传感器的全部带宽进行采样。功耗随采样率动态变化，如图 1 所示。值得注意的是，这些部件的采样频率高达 400 Hz，电流消耗仅为 3 µA。这些更高的数据速率可在可穿戴设备接口中实现额外的功能，例如点击/双击检测。采样率可以降低到 6 Hz，以允许设备在被拾起或检测到运动时启动，平均电流消耗为 270 nA，这可能适用于电池无法轻松更换的植入式应用。

【图1 | ADXL362 电源电流是输出数据速率的函数。］

在某些应用中，加速度计每秒仅轮询加速度一次或几次就足够了。对于这些应用，ADXL362 和 ADXL363 提供仅消耗 270 nA 的唤醒模式。ADXL363 结合了一个 3 轴 MEMS 加速度计、一个温度传感器（典型比例因子为 0.065°C）和一个用于同步转换外部信号的板载 ADC 输入，采用 3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm 封装。加速度和温度数据可以存储在 512 个样本的多模式 FIFO 缓冲区中，最多可以存储 13 秒的数据。

ADI 公司开发了一款 VSM 手表，仅用于演示，以展示 ADXL362 等超低功耗器件在电池和空间受限应用中的功能。

ADXL362 用于跟踪运动和轮廓运动，以帮助从其他测量中去除不需要的伪影。

基于状态的监测 （CBM）

关键标准：低噪声、宽带宽、信号处理、g范围和低功耗。

CBM 涉及监控参数，例如机械振动，目的是识别和指示潜在的故障发生。CBM 是预测性维护的主要组成部分，其技术通常用于涡轮机、风扇、泵和电机等旋转机械。CBM 加速度计的关键标准是低噪声和宽带宽。在撰写本文时，很少有竞争对手提供带宽高于 3.3 kHz 的 MEMS 加速度计，一些专业制造商提供高达 7 kHz 的带宽。

随着工业物联网的进步，人们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、功耗和集成智能功能的潜力方面领先于压电加速度计。CBM 最常用的传感器是压电加速度计，因为它们具有良好的线性度、SNR、高温操作以及从 3 Hz 到 30 kHz 的典型带宽，在某些情况下高达数百 kHz。然而，压电加速度计在直流附近的性能很差，如图 3 所示，在接近直流的较低频率下会发生相当多的故障，尤其是在风力涡轮机和类似的低转速应用中。

MEMS 电容式加速度计在自测、峰值加速度、光谱警报等、FFT 和数据存储等特性方面提供更高水平的集成和功能，并且抗震能力高达 10000 g，具有直流响应，并且更小更轻。ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357 非常适合基于其超低噪声和温度稳定性的状态监测应用，但最终它们的带宽使它们无法执行更深入的诊断分析。然而，即使带宽范围有限，这些加速度计也可以提供重要的测量；例如，在风力涡轮机状态监测中，设备以非常低的速度旋转。在这种情况下，需要对直流作出响应。

【图3 | 旋转设备故障振动伪影。］

ADXL100x 系列单轴加速度计针对工业状态监测进行了优化，并提供高达 50 kHz 的宽测量带宽、高达 ±100 g的g范围和超低噪声性能——在性能方面可与压电加速度计相媲美。 有关 ADI MEMS 电容式加速度计与压电式加速度计的更详细讨论，请参阅本文：MEMS 加速度计性能成熟。

ADXL1001/ADXL1002的频率响应如图4所示。旋转机械中发生的大部分故障，如套筒轴承损坏、不对中、不平衡、摩擦、松动、齿轮故障、轴承磨损和气蚀都发生在测量范围内。 ADXL100x 系列状态监测加速度计。

【图4 | ADXL1001/ADXL1002的频率响应，高频（》5 kHz）振动响应；激光测振仪控制器参考用于精度的 ADXL1002 封装。］

压电加速度计通常不集成智能功能，而像 ADXL100x 系列这样的 MEMS 电容式加速度计提供内置超量程检测电路，该电路提供警报以指示发生了大于约 2 倍指定g范围的显着超量程事件。这是开发智能测量和监控系统的关键功能。ADXL100x 应用了一些内部时钟的智能禁用，以在连续超量程事件期间保护传感器元件，例如电机发生故障时会发生的事件。这减轻了主机处理器的负担，并可以为传感器节点增加智能——这都是状态监测和工业物联网解决方案的关键标准。

MEMS 电容式加速度计在性能上取得了巨大飞跃，以至于新的 ADXL100x 系列正在竞争并赢得以前由压电传感器主导的插座。ADXL35x 系列提供业界最佳的超低噪声性能，它还取代了 CBM 应用中的传感器。CBM 的新解决方案和方法正在与物联网架构融合为更好的传感、连接以及存储和分析系统。ADI 公司最新的加速度计可在边缘节点实现更智能的监控，帮助工厂管理人员实现完全集成的振动监控和分析系统。

第一代 CBM 子系统 ADIS16227 和 ADIS16228 进一步完善了这一系列 MEMS 加速度计，是半自主、完全集成、宽带宽振动分析系统，如图 5 所示，具有六个光谱带上的可编程警报、2 级设置等功能用于警告和故障定义、可调节的响应延迟以减少误报，以及带有状态标志的内部自检。频域处理包括每个轴的 512 点实值 FFT，以及 FFT 平均，可降低本底噪声变化以获得更精细的分辨率。ADIS16227 和 ADIS16228 完全集成的振动分析系统可以缩短设计时间、降低成本、最大限度地降低处理器要求并减少空间限制，使其成为 CBM 应用的理想选择。

【图5 | 具有 FFT 分析和存储功能的数字三轴振动传感器。］

物联网

关键标准：功耗、允许智能省电和测量的集成功能、小尺寸、深 FIFO 和合适的带宽。

整个行业都很好地理解物联网的前景。为了兑现这一承诺，未来几年将不得不部署数百万个传感器。这些传感器中的绝大多数将被放置在难以进入或空间受限的位置，例如屋顶、路灯顶部、塔桅杆、桥梁、重型机械内部等，从而实现智慧城市、智慧农业、智能建筑等。由于这些限制，很可能这些传感器中的很大一部分将需要无线通信，以及电池供电，也许还需要某种形式的能量收集。

物联网应用的趋势是尽量减少无线传输到云或本地服务器以进行存储和分析的数据，因为现有方法使用过多的带宽并且价格昂贵。传感器节点的智能处理可以区分无用和有用的数据，最大限度地减少传输大量数据的需求，从而降低带宽和成本。这就要求传感器包含智能功能，同时保持超低功耗。标准物联网信号链如图 6 所示。请注意，并非所有解决方案都需要无线连接——对于大量应用，仍然需要有线解决方案，无论是 RS-485、4 mA 至 20 mA 还是工业以太网等。

通过在节点上拥有一些智能，可以只沿着信号链传输有用的数据——节省功率和带宽。在 CBM 中，在传感器节点本地完成的处理量将取决于几个因素，例如机器的成本和复杂性与状态监测系统的成本。传输的数据范围可以从简单的超出范围警报到数据流。存在诸如 ISO 10816 之类的标准来指定以特定 RPM 速率运行的给定尺寸机器的警告条件，当振动速度超过预设阈值时输出警报信号。ISO 10816 旨在优化被测系统及其滚动轴承的使用寿命，因此它最大限度地减少了传输的数据量，从而更好地支持 WSN 架构中的部署。

ISO 10816 应用程序中使用的加速度计的要求是g范围为 50 g或更小，并且在低频下具有低噪声，因为加速度数据被周期性地积分以获得以 mm/sec rms 为单位的单个速度点。当对包含低频噪声的加速度计数据进行积分时，误差会在速度输出中线性增加。ISO 标准规定了一个

1 Hz 至 1 kHz 测量范围，但用户希望集成低至 0.1 Hz。传统上，这受到电荷耦合压电加速度计中低频高噪声水平的限制，但一些下一代加速度计将本底噪声保持在直流，仅受信号调理电子设备的 1/f 噪声角的限制，通过精心设计，可以将其最小化至 0.01 Hz。MEMS 加速度计可用于经济型 CBM 应用中以获得低成本设备，或者由于与压电传感器相比尺寸更小且成本更低，因此可以集成到嵌入式解决方案中。

【图6 | Analog Devices 提供的边缘传感器节点解决方案。］

物联网传感器节点的一些关键标准是低功耗（ADXL362、ADXL363），并具有丰富的功能集，可实现能量管理和检测特定数据，例如超过阈值活动、频谱轮廓警报、峰值加速度值和长时间活动或不活动（ADXL372、ADXL375）。

所有这些加速度计都可以保持整个系统断电，同时将加速度数据存储在 FIFO 中并寻找活动事件。当影响事件发生时，在事件之前收集的数据将被冻结在 FIFO 中。如果没有 FIFO，在事件之前捕获样本将需要处理器对加速度信号进行连续采样和处理，这会显着降低电池寿命。ADXL362 和 ADXL363 FIFO 可以存储超过 13 秒的数据，在活动触发之前提供清晰的事件画面。通过不使用电源占空比，而是在所有数据速率下采用全带宽架构来保持超低功耗，从而防止输入信号的混叠。

资产健康监测

关键标准：功耗、允许智能省电和测量的集成功能、小尺寸、深 FIFO 和合适的带宽。

资产健康监测 （AHM） 通常涉及在一段时间内监测高价值资产，无论是静态的还是在途的。这些资产可能是集装箱内的货物、远程管道、平民、士兵、高密度电池等，容易受到冲击或冲击事件的影响。物联网为报告可能影响资产功能或安全的此类事件提供了理想的基础设施。用于 AHM 的传感器的关键标准是测量高g的能力与资产相关的冲击和影响事件，同时消耗非常低的功率。在电池供电或便携式应用中嵌入此类传感器时，需要考虑的其他关键传感器规格包括尺寸、过采样和抗混叠功能，以准确处理高频内容，以及通过最大限度地延长主机处理器睡眠时间来延长电池寿命的智能功能，并允许用于检测和捕获冲击曲线的中断驱动算法。

ADXL372 微功耗、±200 g MEMS 加速度计针对智能物联网边缘节点的新兴资产健康市场空间。此部分包含专为 AHM 市场开发的几个独特功能，以简化系统设计并提供系统级功耗。高克冲击或撞击等事件通常与广泛频率范围内的加速度内容密切相关。准确捕获这些事件需要宽带宽，因为带宽不足的测量将有效降低记录事件的幅度，从而导致不准确。这是数据表中需要观察的关键参数。有些部件不满足采样率的奈奎斯特标准。ADXL375 和 ADXL372 提供了捕获整个冲击曲线以进行进一步分析的选项，而无需主机处理器的干预。这是通过结合加速度计的内部 FIFO 使用冲击中断寄存器来实现的。图 7 显示了拥有足够的 FIFO 以在触发事件之前确定整个冲击曲线的重要性。在 FIFO 不足的情况下，

【图7 | 准确捕捉冲击曲线。］

ADXL372 可以在极低的功率水平下以高达 3200 Hz 的带宽运行。陡峭的滤波器滚降也有助于有效抑制带外内容，为此目的，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，任何频率超过输出数据速率/2 的输入信号都可能折叠到感兴趣的测量带宽中，从而导致测量不准确。这种四极低通滤波器具有用户可选择的滤波器带宽，可在用户应用中实现最大的灵活性。

即时撞击检测功能允许用户配置 ADXL372 以在处于超低功耗模式时捕获高于特定阈值的撞击事件。如图 8 所示，在发生碰撞事件后，加速度计进入完全测量模式，以准确捕捉碰撞曲线。

【图8 | 使用默认阈值的即时启动模式。］

一些应用程序要求仅记录来自冲击事件的峰值加速度样本，因为仅此一项就可以提供足够的信息。ADXL372 FIFO 能够存储每个轴的峰值加速度样本。可存储在 FIFO 中的最长持续时间为 1.28 秒（400 Hz ODR 时 512 个单轴样本）。3200 Hz ODR 的 170× 3 轴样本对应于 50 ms 的时间窗口，足以捕获典型的冲击波形。不需要完整事件配置文件的应用程序可以通过仅存储峰值加速度信息来大大增加 FIFO 读取之间的时间，从而进一步节省功耗。可以通过多种方式分配 512 个 FIFO 样本，包括：

170 组并发 3 轴数据样本

256 组并发 2 轴数据样本（用户可选）

512组单轴数据样本

170组冲击事件峰（x，y，z）

适当使用 FIFO 可让主机处理器在加速计自动收集数据时长时间休眠，从而实现系统级功耗。或者，使用 FIFO 收集数据可以减轻主处理器的负担，同时它可以处理其他任务。

市场上还有其他几款具有类似高g性能的加速度计，但由于带宽窄且功耗较高，它们不适合 AHM/SHM 物联网边缘节点应用。在提供低功耗模式的情况下，它通常处于无法进行准确测量的较低带宽。

审核编辑：郭婷