Öka noggrannheten för aktivitetsarmband med hjälp av trycksensorer med hög precision

Bärbara enheter med hälso- och aktivitetsspårning blir allt mer populära. Accelerometrar används vanligtvis som rörelsesensorer i denna typ av tillämpningar. De har emellertid begränsningar vad gäller korrekt detektering av vertikal rörelse (vilket är mycket viktigt för att på ett korrekt sätt kunna fastställa parametrar som mängden förbrukade kalorier när man rör sig uppför en backe). Genom att också använda en atmosfärstrycksensor (precisionssensor) kan noggrannheten för mätning av denna vertikala rörelse förbättras avsevärt, samtidigt som validering av information från andra sensorer också underlättas.

Det finns atmosfärstrycksensorer som är tillräckligt känsliga för att kunna detektera en så liten höjdskillnad som 13 cm. Dessa är strömsnåla, kompakta och tåliga vilket gör att de lämpar sig perfekt för användning i bärbara enheter.

I denna artikel tar vi en titt på hur denna typ av enheter används i aktivitetsarmband. Vi tar också en titt på en lufttryckssensor från TE Connectivity Measurement Specialties som kan användas för denna tillämpning (vi går även igenom hur den ska användas).

Höjdmätarens roll i aktivitetsarmband

Ett viktigt element i produkter för aktivitetsspårning är tröghetsnavigeringsenheter som accelerometrar, med hjälp av vilka parametrar (exempelvis antal steg, distans och förbrukade kalorier) kan beräknas (figur 1). Det är emellertid inte helt lätt att mäta vertikal rörelse med denna typ av sensorer. Accelerationsprofilen för en aktivitet som att gå i trappor är tillräckligt olik den för vanlig gång för att tillförlitlig detektering ska kunna utföras utan problem. Men gång uppför/nedför en sluttning är svår att skilja från gång på plan mark, just på grund av accelerationen. Den upplevda ansträngningen (och mängden förbrukade kalorier) kan emellertid skilja sig åt avsevärt.

Vid konsumentundersökningar gällande noggrannhet vid aktivitetsspårning har man sett att vissa enheter i de tidiga generationerna kunde avvika så mycket som 30 % i sina uppskattningar. För att mer korrekt kunna fastställa aktivitetsparametrar krävs det enkla och tillförlitliga sätt att mäta vertikal rörelse med aktivitetsarmband.

Figur 1: Bärbara enheter med aktivitetsspårning blir allt populärare bland kunder. (Bildkälla: DigiKey – källmaterial från TE Connectivity)

En atmosfärstrycksensor eller barometer kan vara en bra lösning. Alla andra faktorer är likvärdiga men atmosfärstrycket varierar beroende på höjd baserat på ett förhållande som kallas vertikal temperaturgradient, vilket är den takt med vilken en atmosfärisk variabel förändras med höjden. På så sätt kan en atmosfärstrycksensor (eller barometrisk trycksensor) användas som barometrisk höjdmätare genom användning av den barometriska formeln för höjd:

Ekvation 1¹

Där:

P är aktuellt tryck

P₀ är trycket vid havsnivå (h = 0)

Höjd (h) anges i meter (m)

Denna formel baseras på flera antaganden, till exempel atmosfärisk sammansättning och omgivningstemperatur vid 15 °C. Det betyder att en korrekt beräkning av absolut höjd skulle kräva ytterligare information. Ekvationen kan emellertid fortfarande användas även vid olika tryckförhållanden och den är endast delvis beroende av temperaturförhållanden. Ekvation 1 kan användas för att beräkna höjdändringen genom att med hjälp av den jämföra resultaten av efter varandra följande tryckmätningar.

Normalt atmosfärstryck vid havsnivå är cirka 1013 mbar, vilket betyder att en tryckskillnad på 1 mbar motsvarar en vertikal förändring på cirka 8 meter. Det betyder i sin tur att det vid användning av ekvation 1 behövs hög precision för tryckmätningen för att vertikal rörelse ska kunna detekteras på en mänsklig skala. Som tur är finns det kompakta trycksensorer med tillräcklig noggrannhet.

En sådan atmosfärstrycksensor är MEMS-trycksensorn (mikroelektromekaniskt system) MS5840-02BA från TE Connectivity Measurement Specialties (figur 2). Denna enhet har 24-bitars mätning av både atmosfärstryck och omgivningstemperatur, med en effektiv höjdupplösning på 13 cm vid tillämpning som höjdmätare. Det är tillräckligt hög upplösning för att medge detektering av en så liten höjdförändring som ett trappsteg.

Figur 2: Den kompakta lufttryckssensormodulen MS5840-02BA har hög prestanda och precision i ett litet format (3,3 x 3,3 x 1,7 mm). (Bildkälla: TE Connectivity)

MS5840 har en MEMS-trycksensor och anpassad ASIC som digitaliserar den analoga sensorsignalen och tillhandahåller gränssnitt för värdenhet på I²C-bussen, vilket gör att det inte behövs ytterligare komponenter när den används i ett aktivitetsarmband. Det är en ytmonterad och kompakt (endast 3,3 x 3,3 x 1,7 mm) modul som är tillräckligt liten för användning i bärbara enheter. Förbättrat ESD-skydd med ett jordat och mycket tåligt lock (tillval) för skydd mot mänskligt genererad statisk elektricitet.

Modulerna stöder så hög noggrannhet tack vare att de ger konstruktörer möjlighet att använda dem för att utföra första och andra ordningens kompensation av rå sensordata och på så sätt hantera variationer för enhet och temperatur. Alla enheter är fabrikskalibrerade vid två temperaturer och två tryck, vilket gör att det finns kalibreringsparametrar att använda vid första ordningens beräkningar.

• Referenstemperatur: T_REF
• Tryckkänslighet vid referenstemperatur: SENS_T1
• Tryckkänslighetens temperaturkoefficient - TCS
• Tryckförskjutning vid referenstemperatur: OFF_T1
• Tryckförskjutningens temperaturkoefficient: TCO
• Temperaturens temperaturkoefficient: TEMPSENS

För första ordningens kompensation måste konstruktörer hämta enhetens kalibreringsparametrar och läsa av sensorns okompenserade 24-bitarsvärden för digitalt tryck (D1) och digital temperatur (D2). Därefter beräknas skillnaden mellan faktisk temperatur och referenstemperatur (dT = D2 - T_REF). Denna används för att skala den digitala temperaturavläsningen (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS) och få en temperatur i ˚C med 0,01 °C noggrannhet (2000 = 20,00 °C).

Därefter måste konstruktören (med hjälp av korrigerad temperatur) korrigera tryckavläsningen genom att först beräkna tryckförskjutning (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) och tryckkänslighet (SENS = SENS_T1 + TCS x dT) vid aktuell temperatur. Temperaturkompenserat tryck i mbar med 0,01 mbar noggrannhet (110002 = 1100,02 mbar) beräknas därefter som P = ((D1 x SENS/2²¹) - OFF)/2¹⁵.

Första ordningens korrigerade avläsningar är giltiga för varm luft. Vid lägre temperaturer krävs det emellertid en andra ordningens korrigering (se diagram i figur 3). Med resultaten från den första ordningens korrigering måste temperatur och tryck sedan beräknas om på olika sätt för låga (mittre rutan, > 10 ˚C) eller mycket låga temperaturer (rutan längst till vänster, ≤ 10 ˚C).

Figur 3: Första ordningens beräkningar kan användas för varm luft, men när temperaturen faller under 20 ˚C och under 10 ˚C kan andra ordningens kompensation av sensorns avläsning krävas. (Bildkälla: R. Quinnell – källmaterial från TE Connectivity)

Korrigering med både första och andra ordningen ger mycket hög noggrannhet för både tryck- och temperaturavläsningar över ett stort temperaturområde (se figur 4).

Figur 4: Genom att utföra både första och andra ordningens kompensering kan konstruktörer uppnå hög noggrannhet över ett stort temperaturområde med trycksensor MS5840. (Bildkälla: TE Connectivity)

Förutom liten storlek och hög noggrannhet har MS5840 många andra attribut som gör den särskilt lämplig för bärbara tillämpningar. Den kan drivas med matningsspänning från 1,5 till 3,6 V, vilket gör den kompatibel med logikdesign med både 1,8 och 3,3 V. Den är också strömsnål, med standby-ström lägre än 0,1 µA.

Funktionsströmmen varierar beroende på frekvens och upplösning för sensoravläsningar. Den inbyggda analog-till-digitalomvandlaren (ADC) använder sigma-delta-konvertering med valbar översamplingsfaktor (OSR). Detta ger utvecklare möjlighet att hantera kompromissen mellan konverteringshastighet och förbrukad effekt på ett optimalt sätt. Toppström under konvertering är typiskt 1,25 mA, men med OSR inställd på max. (8192) varar konverteringen endast 17 ms för genomsnittlig effekt på 20 µA (vid avläsning med en sampling per sekund). Min. OSR-inställning (256) tar endast 0,54 ms för genomsnittlig förbrukning på 0,63 µA.

Sensorupplösningen påverkas också av OSR-inställningarna. Detta ska tas med i beräkningen vid eventuella kompromisser. Vid max. OSR är modulens upplösning 0,016 mbar, vilket motsvarar en höjdskillnad på strax under 13 cm. Vid min. OSR (25) är upplösningen 0,11 mbar, vilket i sin tur motsvarar en höjdskillnad på cirka 90 cm.

Att tänka på vid design av trycksensorer

Det finns vissa avväganden som utvecklare av systemdesign måste göra vid användning av en trycksensor som barometrisk höjdmätare. MEMS-trycksensorer kan beskrivas som tunna kiselplattor monterade som lock på en kammare som innehåller gas vid ett referenstryck (eller vakuum). Plattans övre yta exponeras för atmosfärstryck via en öppning eller port i sensorpaketet. En tryckskillnad mellan kammarens tryck och omgivningstryck böjer plattan, vilket genererar en mekanisk töjning som i sin tur genererar en proportionell elektrisk signal. Den ASIC som är inbyggd i MS5840 detekterar och digitaliserar denna signal.

Detta behov att exponera sensorn för omgivningstryck betyder att man vid design av bärbara enheter måste säkerställa en öppning mellan sensorns port och uteluften. Problemet är att denna öppning inte bara släpper in luft i enheten – den låter även vatten och smuts tränga in. Det betyder att utvecklare måste vidta åtgärder så att sensorn inte placeras på en plats i den bärbara enheten där den hindrar luftflödet. Det är också viktigt att säkerställa att enhetens hölje utformas på ett sätt som minimerar risken för att vatten kan ta sig in.

MS5840 har utformats så att dessa problem inte ska uppstå. I denna modul används en flerlagrad struktur som skyddar sensorn (figur 5). Det undre lagret är av aluminiumsubstrat med ytmonterade lödplattor som säkerställer mekanisk stabilitet för enheten. På substratet sitter MEMS-sensorn placerad på den ASIC som tillhandahåller signalkonditionering, digital omvandling och I²C-gränssnitt. En ogenomskinlig gel fyller utrymmet mellan elektronikenheten och locket av rostfritt stål, vilket fungerar som enhetens skydd mot omgivande atmosfär.

Figur 5: Trycksensormodul MS5840 med ett lager ogenomskinlig gel – det svarta materialet mellan locket (upptill) och sensorenheten (nedtill) som skyddar elektroniken mot ljus, smuts och fukt. (Bildkälla: DigiKey – källmaterial från TE)

Denna gel fyller flera funktioner. Dess huvudsakliga funktion är att överföra atmosfärstryckets kraft till sensorns yta. Med denna gel ansluts sensorn mekaniskt till luften och förhindrar samtidigt att smuts och fukt kommer i kontakt med elektroniken. Tack vare att denna gel är ogenomskinlig ger den extra skydd mot ljus, vilket förhindrar fotoninducerat elektriskt brus. Locket har många funktioner: det innehåller gel, det ger modulen extra styvhet och det förbättrar modulens skydd mot elektrostatiska urladdningar (ESD) tack vare dess jordande egenskaper.

Utvecklare kan använda sig av denna flerlagrade konstruktion för att göra sin bärbara enhet mer motståndskraftig mot vatten genom att montera en O-ring på sensorns lock och positionera sensorn i den bärbara enhetens hölje så att porten av rostfritt stål är inriktad med höljets luftintag. När enheten är monterad tätar O-ringen mellan hölje och sensorns lock så att det inte kommer in smuts och vatten i enheten, samtidigt som sensorn skyddas med gel.

Något annat som behöver tas med i beräkningen vid användning av en barometrisk höjdmätare i aktivitetstillämpningar är en potentiell källa till mätfel – nämligen vind. Luft som är satt i rörelse genererar lägre tryck än stillastående luft. Det betyder att en vindpust vid fel tillfälle kan orsaka ett tillfälligt lufttrycksfall vid sensorn just när mätningen utförs. Denna förändring i lufttryckssignalen kan orsaka vad som ser ut som en plötslig höjdförändring. Utvecklare av aktivitetsövervakare kan emellertid minska påverkan från sådana fel genom att säkerställa att den höjdförändring som verkar ha uppstått valideras mot avläsningen på accelerometern. Om det inte går att se en motsvarande acceleration kan man sannolikt bortse från höjdförändringen.

Denna typ av förfarande kan göras åt båda håll. En cyklist som kör på ojämnt underlag kan generera en accelerationsprofil som påminner om accelerationsprofilen vid gång i trappor. Men om det som verkar vara gång i trappor inte genererar någon höjdförändring kan systemet också avfärda avläsningen på accelerometern som omgivningspåverkan.

Slutsats

Ju mer aktivitetsarmband används, desto mer avgörande är deras förmåga att korrekt kunna mäta hälsodata. Genom att också använda en tryckbaserad barometrisk höjdmätare kan noggrannheten för bärbara enheter förbättras på många sätt, särskilt vad gäller kaloriförbrukning. Sådana sensorer kan också vara användbara vid validering av information från andra sensorer. För att kunna användas i bärbara aktivitetsövervakare måste trycksensorerna förutom att vara mycket precisa också vara strömsnåla och mycket små. Vi har i denna text visat att TE Connectivitys MS5840-02BA är tillräckligt noggrann, strömsnål och liten för att kunna användas i nästa generations aktivitetsarmband.

Referens

1. A Sensor Fusion Method for Tracking Vertical Velocity and Height Based on Inertial and Barometric Altitude Measurements, Sabatina and Genovese. (Ekvation 27)