如何将加速度计融入到可穿戴设备中

加速度计是可穿戴设计的关键技术。几乎所有设备都可以从了解其方向中受益，并且添加加速度计提供了实现复杂用户界面的新方法。如果系统知道它是如何移动的，它可以以不同的方式响应，从改变屏幕以反映位置或方向到支持手势控制。已经封装在加速度计中以提供位置数据的处理能力也被轻敲以提供用于这种设计的传感器融合中枢。这可以节省空间，重量和功率，允许其他传感器连接到加速度计，而无需使用中央控制器或应用处理器中的处理周期。

所有这些都是手机行业的先驱，但加速度计是进入更多设计，从健身系统到智能手表。接口也在变化，从模拟接口转移到简单的数字链路，再到包含其他传感器数据的控制器。可穿戴设备的加速度计包括2轴和3轴设备，最高6轴，集成温度和均匀磁传感器，可在设计中提供更多功能。

MMA3202系列双轴（X和Y）硅电容式微机械加工飞思卡尔半导体的加速度计具有信号调理功能，4极点低通滤波器和温度补偿以及两个轴的独立输出。零g偏移满量程跨度和滤波器截止是出厂设置，无需外部设备，因此更容易包含在设计中，因为生产线中不需要调整。同样，完整的系统自检功能可验证系统功能。

图1：MMA3202双轴加速度计在X轴和Y轴上具有不同的灵敏度。

加速度计是一个表面 - 微机械电容式感应单元（g-cell）和CMOS信号调理ASIC包含在单个封装中，使用大容量微加工“帽”晶圆密封在晶圆级密封。

g-cell是一种机械多晶硅结构这可以被认为是两个固定板，其间有可移动板。通过将系统加速到加速度，中心板可以从其静止位置偏转，并且这种变化被捕获为板之间的电容变化。 CMOS ASIC使用开关电容技术测量g-cell电容器，并从两个电容器之间的差异中提取加速度数据。 ASIC还为信号提供信号条件和滤波器（开关电容），提供与加速度成比例的高电平输出电压，X轴和100轴的灵敏度分别为100 g和50 g。

图2：将MMA3202双轴加速度计集成到设计中。

2轴器件可以作为可穿戴设计的一部分轻松连接，尽可能靠近带有0.1μF电容的中央微控制器在电源线上解耦电源。确保加速度计下方有一个接地层有助于降低噪声，并且该接地层应连接到接口中的所有开放式端子。

加速度计输出端的1kΩ和0.01μFRC滤波器将有助于最大限度地减少开关电容滤波器电路的时钟噪声。此外，重要的是要确保电源和接地的PCB布局不会耦合电源噪声，并且加速度计和微控制器不是高电流路径。选择A/D采样速率和任何外部电源的开关频率，使它们不会干扰内部加速度计采样频率，可以防止混叠误差，从而导致传感器产生错误结果并提供系统的虚假响应。 》加速度计还可用于高级可穿戴设计中的导航，现在来自英维思的ADIS16305 iSensor提供完整的惯性系统，包括陀螺仪和三轴加速度计。每个传感器都将iMEMS技术与优化动态性能的信号调理相结合，工厂校准表征每个传感器的灵敏度，偏置，对齐和线性加速度。因此，每个传感器都有自己的动态补偿公式，可在各种条件下提供精确的传感器测量。

ADIS16305提供了一种简单，经济的方法，用于集成精确的多轴惯性传感，作为所有必要的运动测试和校准是工厂生产过程的一部分，大大缩短了系统集成时间改进的SPI接口和寄存器结构提供更快的数据采集和配置控制，ADIS16305使用与ADIS1635x，ADIS1636x和ADIS1640x系列兼容的引脚排列，与接口flex连接器配合使用。

用户寄存器为所有用户提供寻址SPI接口上的输入/输出操作。每个16位寄存器有两个7位地址：一个用于高位字节，另一个用于低位字节。虽然ADIS16305独立产生数据，但它作为SPI从器件工作，使用16位段与系统处理器作为主器件进行通信。各个寄存器读取需要这些16位序列中的两个，第一个提供读命令位（R/W = 0）和目标寄存器地址（A6至A0）。第二序列在数据OUT（DOUT）线上发送寄存器内容（D15至D0）。 SPI工作在全双工模式，这意味着主处理器可以读取DOUT的输出数据，同时使用相同的系统时钟脉冲在DIN上传输下一个目标地址。

同时，STMicroelectronics的A3G4250D很低 - 功率3轴角速率传感器，在零速率水平下具有高稳定性，并且在整个温度和时间内具有灵敏度。传感元件与接口芯片相结合，通过标准SPI数字接口为外部世界提供测量的角速率，以简化与控制器的集成。还提供I²C兼容接口。传感元件采用意法半导体开发的专用微加工工艺制造，在硅片上生产惯性传感器和执行器。 A3G4250D具有±245 dps的满量程，可以通过用户可选带宽测量速率，因此仅使用应用所需的功率。

图3：A3G4250D的结构3来自意法半导体的轴式加速度计。飞思卡尔的Xtrinsic FXOS8700CQ是一款带有集成线性加速度计和磁力计的6轴传感器，可用于从便携式导航设备到医疗监控设备的可穿戴设计。虽然规格说明了6轴，但塑料封装结合了3轴线性加速度计和3轴磁力计，可选择I²C或点对点SPI串行接口，带有14位加速度计和16位磁力计ADC分辨率，来自数字信号处理器的其他嵌入式功能。

FXOS8700CQ具有动态可选的加速度满量程范围±2 g/±4 g/±8 g，固定磁性测量范围为±1200μT。输出数据速率（ODR）范围为1.563 Hz至800 Hz，用户可以为每个传感器选择。交错磁场和加速度数据的ODR速率高达400 Hz。可编程自动ODR更改还使用自动唤醒并返回休眠功能以节省功耗，这适用于磁性和加速事件中断源。

图4：Xtrinsic FXO8700CQ 6轴加速度计和磁传感器可用于为可穿戴系统构建电子罗盘。

结论

当今许多加速度计提供从加速度计到中央处理器的简单SPI或I²C接口，使设计人员的集成更加简单无论是使用2轴，3轴还是6轴传感器的可穿戴系统。但是，必须注意传感器的放置。避免高电流路径并确保选择采样率以避免开关模式电源的抗混叠并确保数据尽可能准确。这允许设计人员为最新的可穿戴设备添加各种新的用户界面技术和定位功能。