關鍵指標：低功耗

、小尺寸、旨在增強節能性能的集成特性以及可用性。

 

用於電池供電型可穿戴應用的加速度計的關鍵指標是超低功耗（通常為μA級），以確保盡量延長電池壽命。其他關鍵指標是尺寸和集成的特性

，比如備用ADC通道和深度FIFO
，其作用是增進終端應用的電源管理和功能性。由於這些原因

，可穿戴應用中通常采用MEMS加速度計。表1所示為部分生命體征監測(VSM)應用及其在具體應用中的對應設置。用於可穿戴應用的加速度計通常可以對運動分類
；檢測自由落體；測量運動是否存在以確定是使係統上電、關斷還是休眠

；輔助實現數據融合，供ECG和其他VSM測量使用。同樣的加速度計也用在無線傳感器網絡和物聯網應用中，因為它們具有超低功耗的特性。

 

表1. VSM可穿戴應用的運動檢測要求

 

在zai為wei超chao低di功gong耗hao應ying用yong選xuan擇ze加jia速su度du計ji時shi，必bi須xu在zai數shu據ju手shou冊ce中zhong標biao稱cheng的de功gong耗hao水shui平ping下xia觀guan察cha傳chuan感gan器qi的de功gong能neng。要yao觀guan察cha的de一yi項xiang關guan鍵jian指zhi標biao是shi帶dai寬kuan和he采cai樣yang速su率lv是shi否fou會hui降jiang至zhi無wu法fa測ce量liang可ke用yong加jia速su度du數shu據ju的de水shui平ping。有you些xie競jing爭zheng產chan品pin通tong過guo每mei秒miao關guan斷duan並bing喚huan醒xing的de方fang式shi達da到dao維wei持chi低di功gong耗hao的de目mu的de，但dan這zhe樣yang做zuo會hui錯cuo過guo關guan鍵jian的de加jia速su度du數shu據ju，因yin為wei有you效xiao采cai樣yang速su率lv下xia降jiang了le。為wei了le測ce量liang實shi時shi人ren體ti運yun動dong的de範fan圍wei，需xu要yao大da幅fu提ti高gao功gong耗hao。ADXL362 和 ADXL363 不會通過欠采樣混疊輸入信號
；它們采用全數據速率對傳感器的整個帶寬進行采樣。功耗隨采樣速率動態變化，如圖1所示。需要注意的是，這些器件可在功耗僅為3 μA的狀態下，以最高400 Hz的速率進行采樣。在可穿戴設備中
，這些較高的數據速率可實現額外的功能，如單擊/雙擊檢測。采樣速率可降至6 Hz，以便在被拾起時或者檢測到運動時設備能啟動，此時的平均功耗為270 nA。這也使ADXL362和ADXL363非常適合植入式應用，因為在這種應用中電池更換非常困難。

 

圖1. ADXL362電源電流與輸出數據速率的關係。

 

在部分應用中

，加速度計每秒隻需輪詢一次或幾次加速度即可。對於此類應用
，ADXL362和ADXL363提供了一種喚醒模式，功耗僅為270 nA。ADXL363集成了一個三軸MEMS加速度計
、一個溫度傳感器（典型比例因子為0.065°C）和一個板載ADC輸入（用於同步轉換外部信號），采用小尺寸、薄型(3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm)封裝。加速度和溫度數據可存儲在512樣本多模FIFO緩衝器中，允許保存的數據時長高達13秒。

 

ADI公司開發了一款僅供演示使用的VSM手表（如圖2所示）
，旨在展示ADXL362等超低功耗器件在電池供電和空間受限應用中的潛力。

 

圖2. VSM手表（集成多款ADI器件，旨在凸顯超低功耗、小尺寸輕型產品）

 

ADXL362用於追蹤運動和記錄運動，幫助從其他測量結果中消除幹擾偽像。

 

 

關鍵指標：低噪聲、寬帶寬、信號處理

、g範圍和低功耗。

 

CBM需要監控多項參數，比如機器振動，其目的是發現和指示可能發生的故障。CBM是預防性維護的一個重要組成部分
，其技術通常用於驅動渦輪機
、風扇
、泵、電機等機械。CBM加速度計的關鍵指標是低噪聲和寬帶寬。在撰寫本文之時，提供3.3 kHz以上帶寬的MEMS加速度計的競爭公司非常少，有些專業製造商提供的最高帶寬為7 kHz。

 

隨著工業物聯網的發展，業界越來越重視減少布線和利用無線
、超低功耗技術。這使得MEMS加速度計在尺寸、重量
、功耗等方麵領先於壓電加速度計，並且有可能實現集成智能特性。CBM中最常用的傳感器是壓電加速度計，因為這類傳感器具有良好的線性度
、SNR
、高溫工作性能和寬帶寬（典型範圍為3 Hz至30 kHz，有些情況下可能高達數百kHz）。然而
，壓電加速度計在DC範圍下的性能欠佳（如圖3所示），因此在較低頻率至DC範圍內可能會出現大量故障，尤其是在風力渦輪機和類似的低RPM應用中。壓電傳感器的機械性質使其難以像MEMS一樣實現大批量生產，並且成本更高，在接口和電源方麵的靈活性也比較低。

 

MEMS電容式加速度計具有更高的集成度
，功能也更為豐富，支持自檢、峰值加速、頻譜報警、FFT和數據存儲
，抗衝擊性能高達10000 g，具有直流響應能力，並且尺寸更小
、重量更輕。ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357具有超低的噪聲和出色的 溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)性(xing)，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控(kong)應(ying)用(yong)，但(dan)其(qi)帶(dai)寬(kuan)限(xian)製(zhi)使(shi)其(qi)無(wu)法(fa)進(jin)行(xing)更(geng)加(jia)深(shen)入(ru)的(de)診(zhen)斷(duan)分(fen)析(xi)。然(ran)而(er)
，即(ji)便(bian)帶(dai)寬(kuan)範(fan)圍(wei)有(you)限(xian)

，這(zhe)些(xie)加(jia)速(su)度(du)計(ji)也(ye)能(neng)提(ti)供(gong)重(zhong)要(yao)的(de)測(ce)量(liang)值(zhi)；例如，在設備轉速超低的風力渦輪機狀態監控中。這種情況下，需要低至直流的響應。

 

圖3. 轉動設備故障振動偽像。

 

ADXL100x係列單軸加速度計針對工業狀態監控應用而優化，測量帶寬高達50 kHz
，g值範圍高達±100 g
，並且擁有超低的噪聲性能——因而在性能方麵可與壓電加速度計不相上下。有關ADI MEMS電容式加速度計與壓電加速度計的詳細討論請參閱以下文章：MEMS加速度計性能已臻成熟。

 

ADXL1001/ADXL1002的頻率響應如圖4所示。旋轉機械中發生的主要故障（如套筒軸承損壞

、對準誤差、不平衡
、摩擦、鬆動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化）都在ADXL100x係列狀態監控加速度計的測量範圍以內。

 

圖4. ADXL1001/ADXL1002的頻率響應
、高頻(>5 kHz)振動響應；激光振動計控製器以ADXL1002封裝為基準以提高準確性。

 

壓電加速度計通常不集成智能特性，而MEMS電容式加速度計（如ADXL100x係列）則集成了超量程檢測電路，當發生超過指定g值範圍約2倍的嚴重超量程事件時，該電路可報警。在智能測量和監控係統的開發中

，這項功能非常關鍵。ADXL100x運yun用yong某mou種zhong內nei部bu時shi鍾zhong智zhi能neng禁jin用yong機ji製zhi來lai在zai持chi續xu發fa生sheng超chao量liang程cheng事shi件jian時shi保bao護hu傳chuan感gan器qi元yuan件jian，比bi如ru，電dian機ji發fa生sheng故gu障zhang時shi就jiu會hui出chu現xian情qing況kuang。這zhe種zhong方fang式shi可ke以yi減jian輕qing主zhu機ji處chu理li器qi的de負fu擔dan，並bing能neng增zeng加jia一yi個ge傳chuan感gan器qi節jie點dian的de智zhi能neng化hua程cheng度du——這兩項都是狀態監控和工業物聯網解決方案的關鍵指標。

 

MEMS電容式加速度計在性能上已經取得巨大飛躍，因此，新的ADXL100x係列已經開始強力競爭並奪得以前由壓電傳感器主導的陣地。ADXL35x係列具有行業最佳的超低噪聲性能
，還能取代CBM應用中的傳感器。新型CBM解決方案和模式已經開始與物聯網架構相融合

，形成更好的檢測
、連接及存儲與分析係統。ADI公司的最新加速度計將為邊緣節點帶來更加智能的監控，幫助工廠管理方實現完全集成的振動監控和分析係統。

 

對這些MEMS加速度計形成進一步補充的是第一代CBM子係統
，即ADIS16227及ADIS16228半自主型全集成式寬帶寬振動分析係統（如圖5所示）

；這兩款產品具有眾多特性，比如六頻段可編程報警
、2級報警和故障定義設置
、旨在減少誤報的可調響應延遲、帶狀態標誌的內部自檢等。頻域處理包括針對各軸的512點、實數值FFT和FFT均值功能


，後一功能可降低本底噪聲變化
，從而提高分辨率。 ADIS16227 和 ADIS16228全集成式振動分析係統可以縮短設計時間，降低成本，降低處理器要求，減少空間限製，使其成為CBM應用的理想選擇。

 

圖5. 數字三軸振動傳感器，集成FFT分析和存儲係統。

 

 

關鍵指標：功耗、支持智能節能和測量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合適的帶寬。

 

整zheng個ge行xing業ye對dui物wu聯lian網wang的de前qian景jing都dou心xin知zhi肚du明ming。為wei了le實shi現xian這zhe種zhong前qian景jing，將jiang來lai幾ji年nian需xu要yao部bu署shu數shu百bai萬wan計ji的de傳chuan感gan器qi。絕jue大da多duo數shu這zhe些xie傳chuan感gan器qi都dou會hui被bei安an裝zhuang在zai操cao作zuo不bu便bian或huo空kong間jian受shou限xian的de位wei置zhi（如屋頂
、街燈頂部、塔桅、橋梁
、重型機械內等），以實現智能城市、智能農業

、zhinenglouyudenggainian。youyucunzaizhurucileixianzhi，henkenengyidabufenzhexiechuanganqixuyaocaiyongwuxiantongxinhedianchigongdianfangshi
，yekenengxuyaomouzhongxingshidenengliangcaijifangshi。

 

物wu聯lian網wang應ying用yong的de趨qu勢shi是shi盡jin量liang減jian少shao以yi無wu線xian方fang式shi傳chuan輸shu至zhi雲yun端duan或huo本ben地di服fu務wu器qi進jin行xing存cun儲chu和he分fen析xi的de數shu據ju，因yin為wei現xian有you方fang法fa需xu要yao很hen高gao的de帶dai寬kuan並bing且qie成cheng本ben較jiao高gao。通tong過guo在zai傳chuan感gan器qi節jie點dian進jin行xing智zhi能neng處chu理li，可ke以yi把ba無wu用yong數shu據ju與yu有you用yong數shu據ju區qu分fen開kai，減jian少shao傳chuan輸shu大da量liang數shu據ju的de必bi要yao性xing，從cong而er降jiang低di帶dai寬kuan和he成cheng本ben要yao求qiu。這zhe就jiu要yao求qiu傳chuan感gan器qi具ju備bei智zhi能neng特te性xing
，同tong時shi還hai要yao維wei持chi超chao低di的de功gong耗hao水shui平ping。標biao準zhun物wu聯lian網wang信xin號hao鏈lian如ru圖tu6所示。在網關以外，ADI公司可為各個模塊提供解決方案。請注意

，並非所有解決方案都需要無線連接，對於眾多應用來說，有線解決方案仍有必要，無論是RS-485接口，4 mA至20 mA，還是工業以太網等。

 

使節點具備一定的智能之後，就可以通過信號鏈隻傳輸有用的數據——節省電能和帶寬。在CBMzhong，zaichuanganqijiedianjubuwanchengdechuliliangqujueyuduogeyinsu，rujiqidechengbenhefuzaxingyuzhuangtaijiankongxitongdechengben。chuanshudeshujucongjiandandechaofanweibaojingdaoshujuliubujinxiangtong。ISO10816等標準規定了相應的報警條件，當給定尺寸的機器以特定RPM轉速運行時，如果振動速度超過預設閾值
，機器就會輸出報警信號。ISO 10816的目的是優化被測係統及其滾動軸承的有效壽命，因此需要減少傳輸的數據量
，從而為在WSN架構中的部署提供更好的支持。

 

對於用在ISO 10816應用中的加速度計，要求其g值範圍為50g或以下並在低頻下保持低噪聲
，因為係統會周期性地把加速度數據整合起來，以形成以mm/sec rms為單位的單一速度點。當整合含有低頻噪聲的加速度計數據時，速度輸出中的誤差可能會線性增大。ISO標準規定的測量範圍為1 Hz至1 kHz
，但用戶都希望整合低至0.1 Hz的數據。傳統上
，在電荷耦合壓電加速度計中，這受到了低頻高噪聲水平的限製，但ADI下一代加速度計能使本底噪聲最低保持在直流水平
，隻受信號調理電子器件1/f的噪聲轉折頻率的限製
，通過細心的設計可使該值降至0.01 Hz。MEMS加速度計既可以用在麵向低成本設備的經濟型CBM應用中，也可以整合到嵌入式解決方案之中
，因為與壓電傳感器相比，它們的尺寸更小、成本更低。

 

圖6. ADI公司的邊緣傳感器節點解決方案。

 

ADI公司廣泛的加速度計產品是要求超低功耗的智能傳感器節點的理想選擇，其中集成多種特性，有助於延長電池壽命
、減少帶寬用量並因此降低成本。物聯網傳感器節點的部分關鍵指標有低功耗（ADXL362、ADXL363）和豐富的特性集合，以實現能量管理和特定數據檢測，如過閾值活動、譜線輪廓報警
、峰值加速值和超長活動或非活動（ADXL372、ADXL375）。

 

在把加速數據存儲在FIFO中並檢查是否存在活動事件時，所有這些加速度計都能使整個係統處於關斷狀態。發生衝擊事件時，事件發生前收集的數據被凍結在FIFO中。如果沒有FIFO，如果要在事件發生之前捕捉樣本，就要求處理器連續采樣並處理加速信號，結果會大幅縮短電池壽命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存儲超過13秒(miao)的(de)數(shu)據(ju)，因(yin)而(er)能(neng)清(qing)楚(chu)展(zhan)示(shi)活(huo)動(dong)觸(chu)發(fa)之(zhi)前(qian)發(fa)生(sheng)的(de)事(shi)件(jian)。不(bu)使(shi)用(yong)功(gong)率(lv)占(zhan)空(kong)比(bi)
，而(er)是(shi)在(zai)所(suo)有(you)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)下(xia)均(jun)采(cai)用(yong)全(quan)帶(dai)寬(kuan)架(jia)構(gou)，由(you)此(ci)防(fang)止(zhi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)混(hun)疊(die)
，從(cong)而(er)維(wei)持(chi)超(chao)低(di)功(gong)耗(hao)。

 

 

關鍵指標：功耗
、支持智能節能和測量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合適的帶寬。

 

資產狀況監控(AHM)一般指在一定時間內對高價值資產進行監控，無論是在靜止狀態或還是在運輸途中。這些資產可能是船運集裝箱裏的貨物、遠程管道、平民、戰士、gaomidudianchideng，cileizichanrongyishoudaozhuangjihuochongjishijiandeyingxiang。duiyukenengyingxiangzichangongnengxinghuoanquanxingdecileishijian
，wulianwangtigongleyizhonglixiangdebaogaojichusheshi。duiyuAHM中使用的傳感器，關鍵指標是能測量與資產相關的高g 衝擊及衝擊事件並同時保持超低功耗。當把這類傳感器嵌入電池供電或便攜式應用中時，要考慮的其他關鍵傳感器指標包括尺寸、過guo采cai樣yang和he旨zhi在zai精jing確que處chu理li高gao頻pin成cheng分fen的de抗kang混hun疊die特te性xing，還hai有you各ge種zhong智zhi能neng特te性xing，以yi通tong過guo增zeng加jia主zhu機ji處chu理li器qi休xiu眠mian時shi間jian並bing允yun許xu用yong中zhong斷duan驅qu動dong算suan法fa檢jian測ce和he捕bu獲huo衝chong擊ji特te性xing延yan長chang電dian池chi壽shou命ming。

 

ADXL372微功耗型±200 g MEMS加jia速su度du計ji可ke滿man足zu新xin興xing資zi產chan狀zhuang況kuang監jian控kong市shi場chang對dui智zhi能neng物wu聯lian網wang邊bian緣yuan節jie點dian的de需xu求qiu。該gai器qi件jian含han有you專zhuan門men針zhen對dui資zi產chan狀zhuang況kuang監jian控kong市shi場chang開kai發fa的de多duo項xiang獨du有you特te性xing，可ke簡jian化hua係xi統tong設she計ji，並bing在zai係xi統tong層ceng次ci實shi現xian節jie能neng目mu的de。高gaog事件（如衝擊或撞擊）通tong常chang與yu較jiao寬kuan頻pin率lv下xia的de加jia速su度du成cheng分fen密mi切qie相xiang關guan。要yao準zhun確que捕bu獲huo這zhe些xie事shi件jian
，需xu要yao寬kuan帶dai寬kuan
，因yin為wei在zai帶dai寬kuan不bu足zu的de條tiao件jian下xia進jin行xing測ce量liang會hui顯xian著zhu降jiang低di記ji錄lu事shi件jian的de幅fu度du，導dao致zhi錯cuo誤wu。在zai數shu據ju手shou冊ce中zhong這zhe是shi要yao特te別bie注zhu意yi的de一yi項xiang關guan鍵jian參can數shu。有you些xie器qi件jian達da不bu到dao奈nai奎kui斯si特te采cai樣yang速su率lv標biao準zhun的de要yao求qiu。ADXL375和ADXL372提供捕獲整個衝擊特性的選項，可用於進一步分析而無需主機處理器幹預。使用衝擊中斷寄存器並結合加速度計的內部FIFO
，可實現該功能。如圖7所示，為了在觸發事件之前確定衝擊特性，有充足FIFO非常重要。如果FIFO不足，就無法記錄和維持衝擊事件以供進一步分析。

 

圖7. 準確捕獲衝擊特性。

 

ADXL372的工作帶寬可在超低功耗水平下達到3200 Hz。陡峭的濾波器滾降也有利於有效抑製帶外成分
，為此，ADXL372jichengleyigesijiditongkanghundielvboqi。ruguomeiyoukanghundielvbo，fanshipinlvchaoguoshuchushujusulvyibandeshuruxinhaodouhuihundiejinmubiaoceliangdaikuan，daozhiceliangwucha。gaisijiditonglvboqitigongyonghukexuanlvboqidaikuan，yinerkeweiyonghuyingyongdailaijidadelinghuoxing。

 

借助即時導通衝擊檢測特性，用戶可以對ADXL372進行配置，使其能在超低功耗模式下捕獲高於特定閾值的衝擊事件。如圖8所示，在發生衝擊事件之後，加速度計會進入全測量模式，以便準確地捕獲衝擊特性。

 

圖8. 默認閾值下的即時導通模式。

 

有些應用要求隻記錄來自衝擊事件的峰值加速樣本，因為此類樣本本身就能提供充足的信息。ADXL372 FIFO可以為每個軸存儲峰值加速樣本。FIFO中可以存儲的最長時長為1.28秒（400 Hz ODR條件下，512個單軸樣本）。3200 Hz ODR條件下的170個3軸樣本相當於一個50 ms的時間窗口，足以捕獲到典型的衝擊波形。對於不要求完整事件特性的應用，通過隻存儲峰值加速信息
，可以大幅增加FIFO讀取操作之間的時間，從而實現進一步節能。512個FIFO樣本可以通過多種方式分配
，包括下列方式：

 

 

適當使用FIFO，使主機處理器能在加速度計自主收集數據時長時間保持休眠，可以降低係統級功耗。或者，使用FIFO收集數據可以減輕主機處理器的負荷，使它能處理其他任務。

 

市場上還有其他幾款具有類似高g性能的加速度計
，但它們不適合AHM/SHM物聯網邊緣節點應用

，因為它們的帶寬較窄
，功耗較高。在提供低功耗模式的情況下
，無法進行準確測量的一般都是低帶寬。ADXL372真正實現了即用即忘的AHM/SHM實施模式，促使最終客戶在可行的情況下重新考慮潛在資產類別。

 

 

ADI公司提供麵向多種應用的廣泛加速度計產品，其中有些產品未在本文中重點討論
，比如航位推算、AHRS、慣性測量
、汽車穩定和安全
、醫療對準等。我們的新一代MEMS電容式加速度計非常適合要求低噪聲
、低功耗
、高穩定性和溫度穩定性的應用；具有低補償的特性
，並且集成眾多智能特性，可提升係統整體性能並降低設計複雜度。ADIgongsitigongsuoyouxiangguanshujushoucexinxi，zhizaibangzhuninweinindeyingyongxuanzezuiheshideqijian。yishangliechudesuoyouqijianyijiqitaqijianjunkegongpingguheyuanxingzhizuoshiyong。gengduoxinxi，qingfangwen：analog.com/MEMS 。

 

 

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