可穿戴设备、状态监测和物联网应用中的关键规格和功能

为您的应用选择最合适的加速度计可能很困难，因为不同制造商的数据手册可能有很大差异，导致对最关键规格的混淆。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中的关键规格和功能。

可穿戴设备

关键标准：低功耗、小尺寸、集成功能以增强节能和可用性。

电池供电、可穿戴应用中使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。其他关键标准包括尺寸和集成特性，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） 应用及其相应的设置。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ECG和其他VSM测量的数据融合。相同的加速度计也用于无线传感器网络和物联网应用，因为它们具有超低功耗。

 

	计步器	秋天	光学心率	点击 （SW）	睡	运动开关	心电图	ADXL362/ADXL363
g Setting	2 克	8 克	4 克或 8 克	8 克	2 克	2 克	4 克至 8 克	2 克至 8 克
外径 （赫兹）	100	400	<50	400	12.5	6	<100	400
功耗	1.8 μA	3 μA		3 μA	1.5 μ安培	0.3 μA		10 nA 至 3 μA
先进先出（样品组或时间）	150	越深越好	1 秒	越深越好	20	不	1 秒	512 秒或 13 秒
模数转换器	不	不	是的	不	不	不	是的	否/是
噪声（米克/√赫兹）	<1	<1	<1	<1	<0.1	<1	<1	175 μ g 至 550 μg
数据采集	24/7	24/7	零星	24/7	运动中		运动期间持续	都
必需功能	RSS，8 位	触发模式先进先出		触发模式先进先出	低噪音	单片机关闭		除 RSS 之外的所有内容

 

在为超低功耗应用选择加速度计时，必须在数据手册中所述的功耗水平下观察传感器的功能。要观察的一个关键问题是，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。一些竞争对手的部件会自动关闭并每秒唤醒一次，以保持低功耗，并且由于有效采样率降低，这样做会错过关键的加速度数据。为了测量实时人体运动的范围，必须显著增加功耗。ADXL362和ADXL363不会通过欠采样来混叠输入信号;它们以所有数据速率对传感器的全带宽进行采样。功耗随采样速率动态变化，如图1所示。值得注意的是，这些器件可以采样高达400 Hz的电流，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。采样速率可以降低到6 Hz，以允许器件在拾取或检测到运动时启动，平均电流消耗为270 nA。这也使得ADXL362和ADXL363对于电池不易更换的植入式应用具有吸引力。

图1.ADXL362电源电流与输出数据速率的关系。

在某些应用中，加速度计每秒只需轮询一次或几次加速度就足够了。对于这些应用，ADXL362和ADXL363提供仅消耗270 nA的唤醒模式。ADXL363集成了3轴MEMS加速度计、温度传感器（典型比例因子为0.065°C）和板载ADC输入，用于在3 mm×3.25 mm×1.06 mm小型封装中同步转换外部信号。加速度和温度数据可以存储在 512 个样本的多模 FIFO 缓冲器中，允许存储长达 13 秒的数据。

ADI公司开发了一款VSM手表，仅用于演示目的，如图2所示，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。

图2.VSM手表集成了一系列ADI公司的器件，突出了超低功耗、小型、轻量化产品。

ADXL362用于跟踪运动和轮廓运动，以帮助消除其他测量中不需要的伪影。

状态监控 （CBM）

关键标准：低噪声、宽带宽、信号处理、g范围和低功耗。

煤层气涉及监测机械振动等参数，目的是识别和指示故障的潜在发生。CBM是预测性维护的主要组成部分，其技术通常用于旋转机械，如涡轮机，风扇，泵和电机。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。

随着工业物联网的发展，人们强调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、信噪比、高温工作，并且典型带宽为3 Hz至30 kHz，在某些情况下高达数百kHz。然而，压电加速度计在直流附近性能较差，如图3所示，在低至直流的频率下会发生相当多的故障，特别是在风力涡轮机和类似的低RPM应用中。压电传感器由于其机械性质而无法像MEMS那样扩展到大批量生产，并且在接口和电源方面也更昂贵且通用性较差。

MEMS电容式加速度计在自检、峰值加速度、频谱报警等功能方面具有更高的集成度和功能;FFT 和数据存储，抗冲击能力高达 10000 g，具有直流响应，体积更小、更轻。ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357因其超低噪声和温度稳定性而非常适合状态监测应用，但最终其带宽使其无法执行更深入的诊断分析。然而，即使在有限的带宽范围内，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，需要低至直流的响应。

图3.旋转设备故障振动伪影。

新型ADXL100x系列单轴加速度计针对工业状态监测进行了优化，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，在性能方面与压电加速度计不相上下。有关ADI公司MEMS电容式加速度计与压电加速度计的更详细讨论，请参见本文：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多数故障，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ADXL100x系列状态监测加速度计的测量范围内。

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ADXL100x系列等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，指示发生大于指定g范围约2×的重大超量程事件。这是开发智能测量和监控系统的关键功能。ADXL100x对内部时钟进行一些智能禁用，以便在连续超量程事件（例如电机发生故障时发生的超量程事件）期间保护传感器元件。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，这两者都是状态监控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方面取得了巨大的飞跃，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，还可取代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到更好的传感、连接、存储和分析系统中。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测和分析系统。

CBM、ADIS16227和ADIS16228的第一代子系统是全集成的宽带宽振动分析系统，如图5所示，具有六个频谱带的可编程报警、用于警告和故障定义的2级设置、可调节的响应延迟以减少误报等功能。 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，可减少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/无线传感器网络

关键标准：功耗、允许智能节能和测量的集成功能、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽。

物联网的前景在整个行业中都得到了很好的理解。为了实现这一承诺，未来几年必须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接近或空间受限的位置，如屋顶、路灯顶部、塔桅杆、桥梁、重型机械内部等，从而实现智能城市、智能农业、智能建筑等概念。由于这些限制，这些传感器中很大一部分可能需要无线通信，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进行存储和分析的数据，因为现有方法使用多余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数据和无用数据，最大限度地减少传输大量数据的要求，从而降低带宽和成本。这就要求传感器在保持超低功耗的同时包含智能功能。标准物联网信号链如图6所示。ADI公司为网关以外的所有模块提供解决方案。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。

通过在节点上具有一些智能，可以仅沿信号链传输有用的数据，从而节省功耗和带宽。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。传输的数据范围从简单的超出范围警报到数据流。ISO 10816等标准用于指定以特定RPM速率运行的给定尺寸机器的警告条件，并在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，从而最大限度地减少传输数据量，从而更好地支持WSN架构中的部署。

ISO 10816应用中使用的加速度计的要求是g范围为50 g或更小，低频噪声低，因为加速度数据会定期集成以获得以mm/sec rms为单位的单个速度点。当集成包含低频噪声的加速度计数据时，速度输出中的误差会线性增加。ISO 标准规定了 1 Hz 至 1 kHz 的测量范围，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低频高噪声的限制，但ADI公司的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，小心后可以将其降至0.01 Hz设计。MEMS加速度计可用于低成本设备的经济型CBM应用，或者由于与压电传感器相比，MEMS加速度计的尺寸更小，成本更低，因此可以集成到嵌入式解决方案中。

图6.ADI公司提供的边缘传感器节点解决方案。

ADI公司提供各种加速度计，非常适合用于需要超低功耗的智能传感器节点，包括尽可能多的功能，以延长电池寿命，帮助减少带宽使用，从而降低成本。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，允许能量管理和检测特定数据，如超阈值活动、频谱分布报警、峰值加速度值以及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中并查找活动事件。发生影响事件时，在事件发生之前收集的数据将冻结在 FIFO 中。如果没有FIFO，在事件发生之前捕获样本将需要处理器对加速信号进行连续采样和处理，这会显著缩短电池寿命。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图像。通过不使用功率占空比，而是在所有数据速率下采用全带宽架构，防止输入信号混叠，从而保持超低功耗。

资产运行状况监控

关键标准：功耗、允许智能节能和测量的集成功能、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽。

资产运行状况监视 （AHM） 通常涉及在一段时间内监视高价值资产，无论是静态资产还是传输中资产。这些资产可能是集装箱内的货物、偏远管道、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性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能够在功耗非常低的情况下测量与资产相关的高g冲击和冲击事件。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，以精确处理高频内容，以及智能功能，通过最大限度地延长主机处理器休眠时间来延长电池寿命，并允许使用中断驱动算法来检测和捕获冲击曲线。

ADXL372微功耗、±200 g MEMS加速度计面向智能物联网边缘节点的新兴资产健康市场空间。该器件包含专为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节能。冲击或冲击等高g事件通常与宽频率范围内的加速度含量密切相关。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地降低记录事件的震级，从而导致不准确。这是数据手册中要观察的关键参数。某些部件不满足奈奎斯特采样率标准。ADXL375和ADXL372提供捕获整个冲击曲线的选项，无需主机处理器干预即可进一步分析。这是通过将冲击中断寄存器与加速度计的内部FIFO结合使用来实现的。图7显示了拥有足够的FIFO对于在触发事件之前确定整个冲击曲线的重要性。由于FIFO不足，将无法记录和维护冲击事件以供进一步分析。

图7.准确捕获冲击剖面。

ADXL372可在极低的功耗水平下以高达3200 Hz的带宽工作。陡峭的滤波器滚降也有助于有效抑制带外内容，为此，ADXL372集成了一个四极点低通抗混叠滤波器。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目标测量带宽中，从而导致测量不准确。这款四极点低通滤波器具有用户可选的滤波器带宽，可在用户应用中实现最大的灵活性。

瞬时冲击检测功能允许用户将ADXL372配置为在超低功耗模式下捕获超过特定阈值的冲击事件。如图8所示，发生撞击事件后，加速度计进入全测量模式，以便准确捕获冲击曲线。

图8.使用默认阈值的瞬开模式。

一些应用要求仅记录撞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。FIFO中可以存储的最长时间为1.28秒（512个单轴样本，ODR为400 Hz）。3200 Hz ODR 下的 170× 3 轴采样对应于 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。512 FIFO样品可以通过多种方式分配，包括：

170 个并发 3 轴数据样本集

256 个并发 2 轴数据样本集（用户可选）

512 个单轴数据样本集

170组冲击事件峰值（x，y，z）

正确使用 FIFO 可使主机处理器在加速度计自主收集数据时长时间休眠，从而实现系统级节能。或者，使用 FIFO 收集数据可以在主机处理器倾向于执行其他任务时减轻主机处理器的负担。

市场上还有其他几种具有类似高g性能的加速度计，但由于带宽窄，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，通常在较低带宽下无法进行准确测量。ADXL372真正为AHM/SHM创造了一种一劳永逸的方法，使最终客户重新考虑可行的潜在资产类别。

结论

ADI公司提供极其广泛的加速度计，适合多种应用，其中一些应用未在本文中重点介绍，如航位推算、AHRS、惯性测量、汽车稳定和安全以及医疗对准。我们的下一代MEMS电容式加速度计非常适合要求低噪声、低功耗、高稳定性和温度性能的应用;最低补偿;以及集成的智能功能，可提高整体系统性能并降低设计复杂性。ADI公司提供所有相关的数据手册信息，帮助您选择最适合您应用的器件。上面列出的所有器件以及更多器件都可用于评估和原型设计。

审核编辑：郭婷