如何在可穿戴健身产品中实现MEMS气压传感器的高精度

具有健康和健身跟踪功能的可穿戴设备越来越受欢迎。在这种应用中，加速度计经常被用作主要的运动传感器，但是加速度计不能提供对垂直运动的精确估计，这对于精确计算攀登中消耗的卡路里等参数非常重要。通过增加精密的大气压力传感器，可以显著提高垂直运动的测量精度，也有助于验证其他传感器的信息。

目前市面上的大气压力传感器足够灵敏，可以检测低至13厘米的高度变化，并且小巧耐用，功耗低，适合可穿戴设计。

本文讨论了这种装置在健身追踪器中的作用，介绍了te连通性测量专业介绍的一种适用于这种应用的气压传感器，并详细说明了其使用方法。

高度计在健身跟踪器中的作用。

健身跟踪产品的核心部件是加速度计和其他用于惯性运动检测的设备，从而计算出步数、步行距离和消耗的卡路里等参数(图1)。然而，垂直运动测量对于这种传感器是一个挑战。就加速度曲线而言，爬楼梯等活动与普通行走有很大不同，很容易实现可靠的检测。但顺坡行走与水平地面行走的区别较小，仅通过加速度难以区分。然而，在这两种情况下所做的工作(和消耗的卡路里)是完全不同的。

一些消费者对健身跟踪准确性的研究表明，一些早期设备可能低估了30%。为了更精确地确定健身参数，健身跟踪器需要一种简单可靠的方法来精确测量垂直运动。

大气压力传感器(即气压计)可以提供解决方案。在其他因素都相等的情况下，大气压力取决于海拔高度，它们之间的关系称为“垂直压力梯度”，即大气压力的值随海拔高度而变化。因此，利用气压公式求解高度，大气压力(或气压)传感器可以作为气压高度表：

公式1

其中：

p是当前压力。

P0是海平面的压力(h=0)。

以米为单位的高度(h)

该公式包含了大气成分、环境温度15等诸多假设，要想精确计算绝对高度，还需要更多的信息。但是，即使压力条件不同，公式仍然适用，受温度条件影响很小。因此，通过比较连续测量两次的压力值，可以通过公式1容易地获得精确的高度变化。

海平面的标准大气压约为1013mbar，即1mbar的压差对应约8 m的垂直变化，因此在使用公式1时，要检测人体的垂直运动，压力测量精度必须相当高。好在目前市面上有紧凑型的压力传感器，可以满足这种精度要求。

te连通性测量专业的MS5840-02BA微机电系统(MEMS)压力传感器就是这样的大气压力传感器之一(图2)。该装置可在24位测量大气压力和环境温度，从而在高度计应用中实现13厘米的有效高度分辨率，足以检测第一步的高度变化。

MS5840集成了MEMS压力传感器和定制ASIC，可以将模拟传感器信号数字化，并通过I2C总线连接主机和设备，因此可以加入到健身跟踪器的设计中，而无需其他组件。该模块紧凑且表面安装，基面为3.3 x 3.3mm毫米，高度为1.7毫米。紧凑的尺寸适合可穿戴设备。坚固的外壳接地，增强静电防护，防止人为产生静电。

这种高精度模块允许设计人员对传感器的原始读数进行一阶和二阶补偿，从而消除由器件和温度变化引起的误差。所有设备都在工厂以两种温度和两种压力进行校准，以生成一阶计算的校准参数：

温度参考-TREF

参考温度下的压力灵敏度-SENST1。

压力灵敏度温度系数。

参考温度下的压力补偿

执行一阶补偿时，设计人员必须检索器件的校准参数，并获得传感器的未补偿24位数字压力(D1)和温度(d 2)读数。然后计算实际温度与参考温度之差(dT=D2-TREF)，用它来修正数字温度读数(TEMP=2000 dT x TEMPSENS)，从而得到摄氏度()，精度为0.01 (2000=20.00)。

然后，设计人员必须使用校正后的温度，通过首先计算当前温度下的压力补偿(OFF=OFFT1 TCO x dT)和压力灵敏度(SENS=SENST1 TCS x dT)来校正压力读数。然后计算温度补偿压力P=((D1SENS/221)-关)/215，精度为0.01巴(110002=1100.02巴)。

当环境温度高时，一阶校正读数有效。然而，在较低温度下，传感器需要二阶校正，如图3所示。对于低温(中框，> 10)和超低温(左框，10)，利用一阶修正结果计算温度和压力的方法是不同的。

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图3：环境温度较高时可使用一阶计算，但是当温度降至20℃以下，甚至10℃以下时，就可能需要对传感器读数进行二阶补偿。（图片来源：R. Quinnell，原始资料来源于TE Connectivity）

结果表明，在较宽温度范围内，经过一阶和二阶修正的压力和温度读数精度都很高，如图4所示。

图4：通过一阶和二阶补偿，设计人员可以实现MS5840压力传感器在较宽温度范围内的高精度。（图片来源：TE Connectivity）

除了体积小、精度高以外，MS5840还具有一些其他特性使其特别适合可穿戴式应用。该器件的工作电压为1.5V至3.6V，因而可兼容1.8V和3.3V的逻辑设计。此外，这款低功耗器件的待机电流不足0.1µA。 工作电流将取决于传感器读数的频率和分辨率。

内置模数转换器 （ADC） 采用三角积分转换方法，过采样率（OSR） 可选。因此，开发人员能够实现转换速度与功耗之间的最佳平衡。转换过程中峰值电流典型值为1.25mA，但OSR设置为最大值 （8192） 时，若每秒读取一个样本，则转换时间仅为17ms，平均电流为20µA。

OSR设置为最小值 （256） 时，转换时间仅为0.54ms，平均电流为0.63µA。 此外，传感器分辨率也受OSR设置影响，因而也应纳入权衡范围。在最大OSR下，模块分辨率为0.016mbar，对应高度差不足13cm。在最小OSR （25） 下，分辨率为0.11mbar，对应高度差约为90cm。

压力传感器设计考虑因素

使用压力传感器作为气压高度计时，开发人员需要注意以下系统设计考虑因素。本质上，MEMS压力传感器是将一块硅薄片盖在填充参考压力气体（或真空）的腔室上。薄片上表面通过传感器封装的开口或端口连通大气压。腔室和环境之间的气压差使薄片弯曲变形而产生机械应力，从而产生成正比的电信号。

MS5840的内置ASIC可检测该信号并将其数字化。 由于传感器需连通环境气压，因此可穿戴设备设计必须为传感器端口提供连通外部空气的畅通路径。不过，这一路径不仅允许空气进入器件，同时也会让水和灰尘由此进入。因此，在可穿戴设备设计中，开发人员既要注意传感器放置的位置以免阻塞空气路径，还须考虑设备外壳设计以实现最佳防水性能。

MS5840的设计可有效解决这一问题。该模块采用分层结构来保护传感器。最底层是氧化铝基板，SMT焊盘可为组件提供机械稳定性。MEMS传感器堆叠在ASIC上并装于基板之上，ASIC可提供信号调节、数字化转换和I2C接口。电子组件与不锈钢盖之间使用不透明凝胶填充，不锈钢盖用作器件连通大气的端口。

凝胶的用途有多种，主要功能是将大气压传递到传感器表面。凝胶既可作为传感器与空气的机械耦合，又能防止灰尘和湿气进入电子器件。由于凝胶不透明，因此还可提供额外的光保护，以避免由光子引起的电子噪声。盖中包含凝胶可增强模块刚性，搭配接地选项即可提高模块的ESD抗扰度。

开发人员可以利用这种分层结构，在传感器盖上粘附O形圈，将传感器置于可穿戴设备外壳内并使不锈钢端口与外壳的空气开口齐平，以提高可穿戴设备的防水性能。完成组装后，设备外壳和传感器盖之间的O形圈可密封外壳，防止灰尘和水侵入设备，而凝胶则可保护传感器。

将气压高度计整合至健身应用时，需要注意的另一个考虑因素是潜在的测量误差来源：风。流动空气比静止空气的压力小，因此如果测量过程中突然刮起一阵大风，则会导致传感器检测的气压瞬间下降。气压信号中的这种“噪声”可能会造成高度陡变的假象。然而，健身监测设备开发人员只需对照加速度计读数来验证高度变化的表征，即可消除这类误差。如果没有相应的加速度，则高度“陡升”现象完全可以忽略。

对照消除法对于加速度同样适用。在崎岖路面骑行产生的加速度曲线可能与爬楼梯类似。但是，如果爬楼梯的加速度表征没有引起相应的高度变化，则系统也可考虑将加速度计读数忽略为环境噪声。

总结

随着可穿戴式健身追踪器的普及，设备健康数据的测量精度逐渐成为产品差异化要素。添加基于压力的气压高度计可从多方面提高可穿戴式健身设备的精度，尤其是消耗的卡路里方面。此外，这类传感器还有助于其他传感器的信息验证。不过，如需适用于可穿戴式健身监测设备，压力传感器既要具有高精度，还须采用超小型封装并能以低功耗运行。如上所述，TE Connectivity的MS5840-02BA具有高精度、小尺寸和低功耗的特性，完全满足下一代可穿戴式健身追踪器的需求。