ADI

工业革命的发展脚步从未停歇。随着制造商开始使用网络-物理系统远程控制工业机器人,我们发现自己正在迈入工业 4.0 的时代。

互操作性、信息透明度、分散化决策,这些都是智能工厂的标志,在智能工厂中,机器、设备、传感器和人员之间的交互程度日益加深,机器学习算法也正在让越来越多的制造流程实现自动化。

然而,这个新的工业化阶段并非没有任何挑战。为了把握住新机遇,制造商必须有效地解决随着工厂环境不断演变而出现的安全性和可靠性问题。

Phoenix Contact 与 ADI 携手让这一切变为可能。

合作共赢,引领工业 4.0

Phoenix Contact 自 1923 年以来一直是电气工程和自动化领域的全球领导者。如今,在该公司的生产线上,工业 4.0 的迹象比比皆是,生产、机械制造和智能自动化已经在发生融合。

从公司间互相通信的机电系统,到用于简化决策的辅助系统,再到可降低成本的可插拔安装系统,Phoenix Contact 正在践行工业 4.0 的发展之路。

随着制造商不断缩小输入/输出 (I/O) 系统的尺寸以便实现更高的灵活性和自主性,Phoenix Contact 将提供好创新解决方案来提高隔离度并安全地传输电力和数据。

这得益于与 ADI 结成的战略合作关系。

解决高压问题,让生产超越一切可能

十多年来,ADI 和 Phoenix Contact 一直秉持合作创新的理念,长期共同致力于实现工业 4.0。

作为采用 iCoupler 技术的数字隔离器的早期用户,Phoenix Contact 依靠ADI 的产品来克服尺寸受限的挑战并显著提高了稳定性。在此过程中,ADI 抓住机遇加大研发力度、优化解决方案,以及进一步提升性能。

随着 Phoenix Contact 的 I/O 设计尺寸不断缩小,且复杂度日益增加,ADI 继续缩短设计周期,并提供覆盖整个信号链的关键支持。

采用 iCoupler 技术的数字隔离器能够帮助 Phoenix Contact 缩小设计尺寸并降低功耗,同时满足工业 4.0 对集成产品的安全要求。

此外,该公司还借此生产出超高性能的 I/O 系统,该系统可通过最小的外形尺寸实现高达 600Mbps 的出色性能水平,使设计人员能够更好地控制和访问新一代高速数据总线。

这样制造商能够更好地保护身处恶劣环境的操作员和机器免受瞬时高压的冲击,并最大限度地提高生产力。

随着工业世界的数字化、自动化和互连程度越来越高,ADI 和Phoenix Contact 将携手助力制造商克服新挑战、抓住新机遇。

安全性仍然至关重要,数字隔离也将必不可少。

采用 iCoupler 技术的数字隔离器以及 ADI 与 Phoenix Contact 结成的战略合作关系将在技术演进方面持续发挥关键作用,让一切成为可能。

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我国已成为工业机器人最大的销量国,数据显示,2016年中国市场工业机器人消费总量达8.9万台,比2015年增长26.6%。

今年国内工业机器人产业延续良好发展的态势,前瞻数据库整理数据显示,2017年5月我国工业机器人产量10057套,同比增长47.3%,1-5月累计产量44360套,累计增长50.4%。

以下为2016年6月至2017年5月我国工业机器人产量统计:

首先,政策方面,智能制造上升为国家战略。《中国制造2025》及其重点领域技术路线图的发布,进一步推进了以工业机器人为代表的智能装备制造业的快速发展。工信部等三部委,工信部发布的《实施机器人产业发展规划2016~2020》以及《智能制造装备创新发展工程实施方案》的出台,更是为机器人产业的健康有序快速发展指明了方向。工业和信息化部装备工业司副司长罗俊杰说,“十三五”将是中国制造业发展的关键时期,也是机器人产业发展的黄金时期。以机器人应用为代表的智能制造新模式将带领中国制造走向新高地。

其次,市场方面,需求巨大。随着工业4.0发展、产业转型升级、人口结构调整等多重因素驱动,伴国内制造业掀起了一场工业变革的新浪潮,我国机器人产业市场空间巨大。根据工信部发展规划,到2020年,全国工业机器人装机量将达到100万台。

在市场和政策的双重利好下,国内机器人市场迅速升温,机器人产业可谓迅猛发展。

国产工业机器人高端化有待提高

工业机器人需求快速增加,但国内机器人产业总体水平与国外尚有差距,目前我国工业机器人生产企业多以组装和代加工为主,普通存在缺少核心技术、缺少关键零部件的现象。

不过,可喜的是,尽管我国的机器人产业起步较晚,但正在往良好的方向发展,正如中国机器人产业联盟理事长、沈阳新松机器人公司总裁曲道奎所言,国产机器人的技术水平和产品结构正朝着高端领域发展。目前,国产机器人的市场占比已达33%,且高端机器人的国产率增速最快,市场结构进一步优化。

目前,我国的语音、图像等专有识别技术在国际上处于先进水平行列,一些龙头企业在市场竞争中脱颖而出,成为具有一定影响力的机器人公司;一些企业在细分领域具备了一定国际竞争力。

未来,机器人行业有望成为引导国内制造业整体升级的排头兵,以机器人应用为代表的智能制造新模式,将助推中国产业经济转型和走向中高端。

本文来源:工业机器人市场需求巨大,前5月产量44360套

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市场需求的刺激下,技术和资本频繁涌入机器人市场。从炫酷的汽车人变形金刚到精准操作的机器人医生,各大机器厂商的业务已涵盖医疗、服务、运输、建筑等各大领域。

1、机器人变形金刚

近日,土耳其Letvision公司宣布,像电影中一样可自由变身的变形金刚已成为现实,该公司成功打造出一个能够由汽车变身成机器人再恢复到汽车形态的变形金刚。据介绍,这款变形金刚名叫Letrons,由一辆1比1原尺寸大小的宝马轿车打造,这辆改造后的宝马汽车无法让人坐进去驾驶,主要通过遥控器控制,而且变形速度还有很大提升空间。目前Letrons还处于原型阶段,不过Letrons变形后可以移动它的手臂、手、手指、头部以及颈部。此外,Letvision的工程师还为Letrons加入了雾效、声效以及灯光效果,同时具备WiFi无线连接功能。

2、机器人建筑工

HadrianX是巨型卡车山建筑机器人,它用近30米长的机械臂1个小时内可砌砖1000块,并能够长时间保持某个特定姿势。HadrianX能够连续24小时工作,因此只需要2天时间就能建起整栋住宅。它被安装在卡车背上,因此能够在建筑工地内自由行动。HadrianX研发人皮瓦克表示,他无意针对泥瓦匠,只是希望能够改变建造住宅的过程,HadrianX将帮助吸引更多年轻人到机器人领域。

3、机器人乒乓球教练

近日,日本欧姆龙公司宣布,该公司开发制造的乒乓球机器人“Forpheus”被吉尼斯世界记录认定为“全球首台乒乓球教练机器人”。据介绍,Forpheus安装有两台摄像头,1秒钟内可以捕捉到80次击球影像,并以此推断出对手的击球速度以及旋转路线来预测乒乓球的运动轨迹。此外,他还可以在千分之一秒内控制击球的时机与方向,如果对手是一名初学者,它便会打出能够让对方容易接到的弧线慢球等球路。

4、机器人停车员

还记得最近走红网络的“最牛停车机器人”吗?由深圳怡丰机器人科技带来的汽车搬运智能机器人也将在全国双创周展示它的“最牛停车技术”。人们将需要停放的车辆放到停车场入口的一个平台上,之后怡丰机器人的AGV小车就会将车辆运走,两分钟左右就可将车辆放置在合适的位置,当用户需要取车时,通过APP点击操作,AGV在2分钟左右就会把车辆开到停车场门口。

5、机器人大厨

在去年的东京年度食品机械与技术展览上,一只叫做MotomanSDA5的机器人展示了自己惊人的厨艺。其由日本安川电机制造,能够模仿人类的动作,完成一系列厨房动作:烹饪、烤油酥糕点,甚至卷出完美的寿司。它的厨艺如此之高,以至于让在场的一个女生当场向其求婚,认为嫁给MotomanSDA5这样的老公实在是幸福感爆棚。去年年底,英国初创科技公司MoleyRobotics在位于伦敦北部的一个仓库展示了其最新产品——设备先进的,功能齐全的机器人厨房系统。这套系统被该公司称为“世界上第一款自动化厨房”,可实现完全自动化的烹饪体验。这款机器人厨房系统的设计原型是按照一位烹饪大师的技艺和才华来设计的,并预计将会在2017年制造出供消费者使用的版本。

6、机器人导引员

近日,卡内基梅隆大学机器人研究协会的Hollis教授以及日本东北学院大学的工程学教授MasaakiKumagai联手打造了一款虫球机器人SIMbot。比起之前的ballbot,SIMbot从简的机械构造是个巨大的突破。Hollis认为它很适合与人类协同工作,因为机器人的身体能够在发动机的球体上方保持平衡,高瘦的ballbot不需要缩骨功,就可以穿过一些狭长的地带,比如走廊和家具之间的狭长空隙。必要的时候,人们也可以帮它们一把。但是它的自主性还是不容忽视的——SIMbot可以执行一些简单的任务,比如帮助坐在椅子上的人们站起来,帮他们拎东西,或是做人类忠实的引导员。

7、机器人医生

为解决微创手术中由于切口小而导致的不好操作问题,澳大利亚迪肯大学和哈佛大学联手打造了一款叫作HeroSurg的机器人,近日在墨尔本的澳大利亚模拟国会上隆重发布。HeroSurg是为了腹腔镜手术专门打造的,所以它尤其适用于那些需要缝合微小组织的手术中。虽然在病患们看来,它的外观可能会有点惊悚,但是研发团队希望它可以让手术更加安全、精准度更高。更重要的是,它可以让外科医生们获得一个重要的感觉——触觉。

本文转自:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDQ0MTc0Mg==&mid=2651938910&idx=1&sn=4354d792d1cacd366f2e6a3d3a0dadb7&chksm=bd627f3f8a15f629d9910c465269ad8de334ac11eeba11e69068a2954fd032f4d1c81a2f0f1a&mpshare=1&scene=1&srcid=0718NK5k4c7A1v5rTQQLfPzZ&key=df6095916712388e246426a617476cb082733bccddd2dcb244ff59c1319bdfd3bc62ecee4514795a376a1c4d1427c81cbe9605ad47b68631de404acfd21b5fed4124cada1d3185f68b1effc5a42549df&ascene=0&uin=MTg3MDM3NzQyMQ%3D%3D&devicetype=iMac+MacBook8%2C1+OSX+OSX+10.10.5+build(14F2411)&version=12020810&nettype=WIFI&fontScale=100&pass_ticket=UcNHEJmwPboAz0igUGBdt8dXgRiAImo0ldKUepOO%2BQRs1jSWHQNcSP0X9gBndRNJ

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Thomas Brand ADI 公司 现场应用工程师

目前,一场频繁地被称为工业4.0(德国称为Industrie 4.0)的范式转变正在发生。在国际使用中,像(工业)物联网、智能工厂或信息物理(生产)系统这样的术语都指代相同的东西,它们常常可以互换使用。工业4.0指的是工业价值链及其产品转向数字化与联网的全球趋势。

特别地,在德国工业4.0不仅仅在商业界具有高知名度。由于其经济影响,工业4.0也受到政治推动,例如进一步发展德国制造业的竞争力。在这种情况下,政府官员正在推动一种将供应商视角和用户公司视角结合起来的双重战略,主要领域是工业自动化和工厂工程。为此,制造商必须将最新技术用于自己的生产过程,另一方面还要将这些技术和产品投向市场。

从主导供应商的角度来看,信息或通信技术与传统高科技方法的整合主要是为了扩展生产部门及其技术。为了实现这一扩展,需要满足不断增强的市场动能和市场复杂性所产生的先决条件。从制造企业的角度来看,重要的是为新市场设计智能技术和产品,并相应地为这些市场服务。为了满足供应商和制造商的需求,企业需要兼顾这两种视角的战略。例如,半导体行业中的公司就很擅长运用此类双重战略。

如ADI公司等半导体制造商正在消化这个复杂的概念,将自己的生产线转变成全自动智能工厂。此外,这些制造商还向制造业中的其他公司提供创新技术,帮助他们将其制造设施改造成智能工厂。因此,中小企业便被赋予了一个重要角色,它们占德国工业企业绝大部分(超过98%)。可能获得什么样的支持,半导体制造商面临哪些挑战,以及工业4.0会带来哪些机会——这些问题将在下文进行探讨。

企业需要判断,将其生产设施转变为智能工厂是徒劳无益的努力,还是会真正提高生产率并降低成本。

为了找到以下关键问题的答案,许多市场研究公司进行了大量研究。他们都得出了同样的结论:工业4.0将为中小企业提高附加值,它们应该抓住相关机会以巩固公司的成功。尤其是对半导体制造商来说,研究结果可分为三个方面:新技术、新产品和新商业模式。所有这三个方面一起涵盖了生产及其产品的整个价值链——从传感器节点开始经云端再到下游服务。

为实现智能工厂转型,必须提供智能和节能产品,或者说完全自主的系统,它们可以很简单地集成到现有生产结构中(例如即插即用)。这些系统由各种半导体器件和传感器组成,并与模拟和数字信号处理IC相结合。价值链从这些器件开始:首先,传感器负责从真实的物理世界收集数据,之后将它们转换成数字信号,再在数字领域中进行处理(见图1)。

智能工厂信号链

图1. 智能工厂信号链

新需求有哪些?

随着价值链的发展,市场需求将需要改变。这就是为什么半导体制造商必须将自己的企业和产品适应智能工厂的现实原因。技术趋势正朝着智能节能产品以及集成安全安保功能和能源采集能力方向发展。在图2中显示了一个器件或者说一个完整的系统,其中以ADI公司基于MEMS的加速度计ADXL356为例。ADXL356是一款低成本、低噪声、3轴加速度计,测量范围可达±40 g (FSR)。该器件的主要特性是超低失调漂移和低功耗。由于其密封封装,ADXL356特别适合恶劣环境条件下的精确倾斜测量,高分辨率振动测量,以及低电流或电池供电无线传感器中的高性能(长时间)测量,适用于结构健康监测(SHM)、姿态和航向参考系统(AHRS)或其他具有突然过大作用力的应用等。

ADXL356是构成一个系统的基础,并且可以通过其他功能实现扩展:利用模数转换器、微控制器以及各种模拟、数字(部分隔离)或无线接口集成信号处理,支持以太网、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信标准。ADRadioNet是由ADI公司开发的通信标准,其特点是采用无线自愈式多跳频的通信协议,具有高扩展性,且内存消耗低。此外,它还集成加密方法(例如AES-128和AES-256)可阻止可能的网络攻击,提高了安全性。最后但同样重要的是,功能安全在这些系统的开发过程中起着重要作用,因为这对智能工厂而言也非常重要。

对于半导体制造商来说,未来仅扩充传感器和其他半导体器件的品种是不够的。为了成为市场上的全球性玩家,以及充分发掘工业4.0的潜力,其现有产品范围必须通过通信和低功耗微处理器技术加以扩展。考虑到这一点,ADI公司已经在其产品组合中提供了相关解决方案。例如在通信领域,有多种采用HART®

基于MEMS的智能传感器解决方案

图2. 基于MEMS的智能传感器解决方案

调制解调器的解决方案。通过使用现有基础设施来实现新的节能技术,这些HART解决方案能够以相当简单的方式改进传统拥挤不堪的通信网络。

市场研究还显示,中小型企业希望得到制造商和供应商的大力支持,以便更快更有效地将新产品集成到其系统中。通过这种方式,企业可以减少额外的工作量,继续聚焦于其核心业务。具体说来,供应商和企业之间的合作或协同努力便属于支持类型。

虽然工业4.0有诸多优点,但是现在的问题是为什么许多企业尚未投资于智能工厂?

犹豫的原因

投资的主要障碍之一是企业还没有认识到智能工厂会带来利益,故不愿付出相关成本。例如,由于缺乏货币化评估标准,目前要计算投资率仍然相当困难。因此,半导体制造商必须提高客户的意识,提供教育资料以说明智能工厂的优势,同时指出投资智能工厂会获得的价值。

但是,不仅仅是有兴趣将自己的设施变成智能工厂的中小企业需要进行投资,像半导体制造商之类的智能解决方案提供商也必须投资于自己的产品,可能的话还需要重组其各个业务部门。这些投资对于新技术和商业模式,以及开发和拓展营销活动、资格认定措施、销售管理都是必要的。

随着生产部门的转型,数据和IT安全等领域会一再发挥重要作用。这些方面不仅仅是成功引入工业4.0的重要需求,而且还应该作为关键的成功要素持续地贯彻到数字系统中。

对于企业来说,重要的是要在开始实施工业4.0的早期阶段制定基本战略路线,收集相关技术经验。然而,这个过程需要耐心,因为许多相关技术可能要经过5年、10年甚至更长时间才能充分展现其潜力。因此,工业4.0的实施过程将需要很长时间。而且,由于缺乏明确的定义,工业4.0将于何时完全实现并没有一个确切日期。与其谈论“工业革命”,不如使用“工业演进”可能更有意义。

随着生产环境的改变,新的参与者和竞争者也将出现或影响市场。联盟即将出现,并会对塑造生产形象产生重大影响。在未来的工业或企业厂房中,人会越来越少。软件和服务业也将发挥重要作用,因为只有将虚拟与现实世界联系并融合起来才能提供巨大的生产潜力。很明显,对于企业来说,正在加速当前的发展步伐,如果错失机会,他们将很难赶上。

因此,企业不再相信工业4.0是暂时的炒作。与此同时,目前的市场清楚地显示出工业4.0和智能工厂不可逆转的发展趋势。而对于缺少标准、缺乏安全性、知识不足等方面的最大问题正在变得越来越小。此外,关于未来生产环境的困惑也在减少。总之,工业4.0智能工厂的转型以及其所需的技术,为半导体制造商创造了巨大的可能和成功。

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Jan-Hein Broeders

健康监护正在走向可穿戴设备

当我还是个小男孩的时候,妈妈总是不停地叮嘱我要带够零钱,以防在遇到紧急情况时需要打电话。二十年后,移动电话使我们能够随时随地拨打电话。又经过20 年的创新后,语音通话已不再是手机这款智能设备的主要功能,它不仅可以拍摄美丽的照片、播放音频和视频流文件,而且还提供各种各样的服务——现在还逐渐成为我们的私人教练。配备传感器或者连接到穿戴式传感器后,这些设备可用来监控日常活动和个人健康状况。在不断增强的健康意识推动下,人们开始关注测量生命体征参数——如心率、体温、血氧饱和度、血压、活动水平(运动量)和脂肪燃烧量——以及追踪这些参数的日常变化趋势。

现在,装有多个传感器的通用传感器前端可监控这些参数。最大的挑战是最大程度地缩小尺寸并延长电池使用寿命。本文讨论面向迅猛增长的可穿戴电子产品市场的解决方案。

最重要的生命体征信号

没了心跳,我们就会有大麻烦,因此,脉搏或心率至今仍是我们需监控的最重要的参数。除了每分钟心跳次数以外,我们还想检查心脏行为与活动量的关系。心律也非常重要,因为快速变化的心率是心脏疾病的征兆。

心率和心脏活动监护通常是使用心电图(ECG)测量生理电信号来实现。连接到身体上的电极可测量心脏组织中心电的信号的活动。专业的诊断系统便是基于此原理,测量时胸部和四肢最多可连接10 个电极。ECG 可提供一次心跳不同分量(P 波、QRS 波和T 波)的相关详细信息。

AD8232 单导联ECG 前端

图1. AD8232 单导联ECG 前端

单导联ECG 在体育界的应用越来越普遍,其使用双电极胸带来测量心脏活动。虽然可检测到各种ECG 波形,但大多数系统只测量心率。这些胸带穿戴起来并不舒服,因此,体育和保健行业正在寻找替代方案,例如将电极集成到运动衫上。AD8232 单导联心率监护仪前端(如图1 所示)就是专为此类低功耗可穿戴应用而开发的。该器件内置增益为100 V/V 的仪表放大器和一个高通滤波器,能阻止皮肤上电极的半电池电位产生的失调电压。输出缓冲器和低通滤波器则可抑制肌肉活动产生的高频分量(EMG 信号)。此低功耗前端功耗为170 μA,可与16 位片上计量仪ADuCM350配合使用,进行高性能、单导联ECG 测量。

测量心率的新方法

心率测量的新趋势是光电容积图(PPG),这是一种无需测量生物电 信号就能获得心脏功能信息的光学技术。PPG 主要用于测量血氧 饱和度(SpO2),但也可不进行生物电信号测量就提供心脏功能信 息。借助PPG 技术,心率监护仪可集成到手表或护腕等可穿戴设 备上。由于生理电势法的信号电平极其微弱,所以无法做到这 一点。

在光学系统中,光从皮肤表面投射出来。再由光电传感器测量红细胞吸收的光量。随着心脏跳动,不断变化的血容量使接收到的光量分散开来。在手指或耳垂上进行测量时,由于这些部位有相当多的动脉血,使用红光或红外光源可获得最佳精度。不过,手腕表层很少有动脉存在,腕部穿戴式设备必须通过皮肤表层下面的静脉和毛细血管来检测脉动分量,因此绿光效果会更好。

ADPD142 光学模块(如图2 所示)具备完整的光度测量前端,并集成光电传感器、电流源和LED。该器件专为测量反射光而设计,可用来实现PPG 测量。所有元件都封装在一个小小的模块上。

ADPD142 光学模块

图2. ADPD142 光学模块

使用光学VSM 所面临的挑战

利用腕部穿戴式设备测量PPG 面临的主要挑战来自环境光和运动产生的干扰。阳光产生的直流误差相对而言比较容易消除,但日光灯和节能灯发出的光线都带有可引起交流误差的频率分量。模拟前端使用两种结构来抑制DC 至100 kHz 的干扰信号。模拟信号经过调理后,14 位逐次逼近型数模转换器(ADC)将信号数字化,再通过I2C 接口发送到微处理器进行最终后处理。

同步发送路径与光接收器并行集成在一起。其独立的电流源可驱动两个单独的LED,电流电平最多可编程至250 mA。LED 电流是脉冲电流,脉冲长度在微秒级,因此可保持较低的平均功耗,从而最大程度地延长电池使用寿命。

LED 驱动电路是动态电路且可即时配置,因此不受各种环境条件影响,例如环境光、穿戴者皮肤和头发的色泽或传感器和皮肤之间的汗液,这些都会降低灵敏度。激励LED 配置非常方便,可用于构建自适应系统。所有时序和同步均由模拟前端处理,因此不会增加系统处理器的任何开销。

ADPD142 提供两种版本:ADPD142RG 集成红光LED 和绿光 LED,用于支持光学心率监护;ADPD142RI 集成红光LED 和红 外LED,用于进行血氧饱和度(SpO2)测量。)

运动的影响

运动也会干扰光学系统。当光学心率监护仪用于睡眠研究时,这可能不是问题,但如果在锻炼期间穿戴,运动腕表和护腕将很难消除运动伪像。光学传感器(LED 和光电检测器)和皮肤之间的相对运动会降低光信号的灵敏度。此外,运动的频率分量也可能会被视为心率测量,因此,必须测量该运动并进行补偿。设备与人体相贴越紧密,这种影响就越小,但采用机械方式消除这种影响几乎是不可能的。

我们可使用多种方法来测量运动。其中一种是光学方法,即使用多个LED 波长。共模信号表示运动,而差分信号用来检测心率。不过,最好是使用真正的运动传感器。该传感器不仅可准确测量应用于可穿戴设备的运动,而且还可用于提供其他功能,例如跟踪活动、计算步数或者在检测到特定g 值时启动某个应用。

ADXL362 是一款微功耗、3 轴MEMS(微机电系统)加速度计,非常适合在电池供电型可穿戴应用中检测运动。内置的12 位ADC可将加速度值转换为数字信号,分辨率为1 mg。功耗随采样速率动态变化,当输出数据速率为100 Hz 时功耗仅为1.8 μA,在400 Hz时为3.0 μA。这些较高的数据速率对于用户接口来说非常有用,例如单击/双击检测。

对于在检测到运动时启动某个应用的情况,则无需进行高速采样,因此可将数据速率降至6 Hz,此时平均功耗为300 nA。因而,对于低功耗应用和不易更换电池的植入式设备来说,此传感器非常有吸引力。ADXL362 采用3.0 mm × 3.25 mm 封装。图3 显示了不同电源电压条件下电源电流与输出数据速率之间的关系图。

ADXL362 电源电流与输出数据速率的关系

图3. ADXL362 电源电流与输出数据速率的关系

系统中各传感器的连接

系统的核心是混合信号片上计量仪ADuCM350,它与所有这些传感器相连,并负责运行必要的软件,以及储存、显示或传送结果。该器件集成高性能模拟前端( AFE)和16 MHz ARM® Cortex®-M3处理器内核,如图4 所示。AFE 的灵活性和微处理器丰富的功能组合使此芯片成为便携式应用和可穿戴应用的理想选择。可配置的AFE 支持几乎所有传感器,其可编程波形发生器可使用交流或直流信号为模拟传感器供电。高性能的接收信号链会对传感器信号进行调理,并使用无丢码16 位160 kSPS ADC 将这些信号数字化。其中,后者的积分非线性(INL)/差分非线性(DNL)最大值为±1-LSB,。该接收信号链支持任何类型的输入信号,包括电压、电流、恒电势、光电流和复阻抗。

 集成AFE 的Cortex-M3

图4. 集成AFE 的Cortex-M3

AFE 可在独立模式下工作,无需Cortex-M3 处理器干预。可编程时序控制器控制测量引擎,测量结果通过DMA 储存到存储器内。开始测量前,可执行校准程序,以校正发送和接收信号链中的失调和漂移误差。对于复阻抗测量,如血糖、体质指数(BMI)或组织鉴别应用,内置DSP 加速器可实现2048 点单频离散傅里叶变换(DFT),而无需M3 处理器干预。这些高性能AFE 功能使ADuCM350 具有其他集成解决方案无可比拟的独特优势。

Cortex 处理器支持多种通讯端口,包括I2S、USB、MIPI 和LCD显示驱动器(静态)。此外,它还包括闪存、SRAM 和EEPROM,并且支持五种不同的电源模式,可最大程度地延长电池使用寿命。

ADuCM350 设计用于超低功耗传感器,性能限制为低速器件。对于要求更高处理能力的应用,可使用工作频率高达80 MHz 的M3内核或者Cortex-M4 处理器内核。

功耗如何?

功耗一直是便携式设备和可穿戴设备中的一个关键因素。本文介绍的设备在设计上要求性能高、尺寸小且功耗低,但在非常小的封装内集成所有一切器件(包括电池)仍然是一个挑战。尽管新的电池技术实现了每mm3 更高的容量,但与电子产品相比,电池仍然体积较大。

能量采集可减小电池尺寸并延长电池使用寿命。能量收集技术有多种,包括热电、压电、电磁和光电等技术。对于可穿戴设备,利用光和热最为合适。传感器通常不会产生大量输出功率,因此每焦耳热量都应当可以被捕获和使用。ADP5090 超低功耗升压调节器(如图5 所示)桥接收集器和电池。此高效开关模式电源可将输入电压从低至100 mV 升高到3 V。冷启动期间,在电池完全放电的情况下,最小输入电压为380 mV,但在正常工作时,如果电池电量没有完全耗尽或者还有一些电能留在超级电容内,任何低至100 mV 的输入信号都可转换为较高的电位并储存下来,以供稍后使用。

该芯片采用微型3 mm × 3 mm 封装,并可进行编程来支持各种不同的能量收集传感器。最大静态电流为250 nA,支持几乎所有电池技术,从锂离子电池到薄膜电池以及超级电容均可。集成式保护电路可确保其安全运行。

ADP5090 能量采集器

图5. ADP5090 能量采集器

结论

本文介绍了一些用于可穿戴和个人健康应用的低功耗产品,但这个快速增长的市场正在快速变化。ADI 公司的技术可以将这些颇具挑战性的难题转变为完善的产品和完整的解决方案。更多惊喜敬请期待。

参考电路 www.analog.com/healthcare

作者:Jan-Hein Broeders

Jan-Hein Broeders 是ADI 公司负责欧洲、中东和非洲业务的医疗保健业务发展经理。他与医护人员密切合作,将他们现在和将来的需求转化为各种解决方案。Jan-Hein 拥有超过20 年的半导体行业工作经验。他于2005 年以飞利浦全球现场应用工程师(FAE)的身份加入ADI,并自2008 年起开始担任目前的职务。他拥有荷兰斯海尔托亨博斯大学的电气工程学士学位。

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物联网(IOT)是一项科技革命,目标在于将短距离移动资料收发器嵌入到日常生活中的小工具或事物中,为信息通讯的技术领域带来新的发展面向。Frost & Sullivan的研究报告提出物联网的八大发展趋势:(1) 物联网将演变为知觉工具、(2)认知技术成为新的智慧、(3) 物联网平台商品化、(4)无人机运输成真、(5)物联网事国家网络安全的危机、(6)智能汽车和智能家居的融合已经实现、(7) AI个人秘书竞争优势、(8)云端运算普及化。

1物联网将演变为认知工具:

2017年物联网的发展将从IoT 0.0版的连接装置演变成IoT 2.0版的使用认知运算(cognitive computing)及预测运算(predictive computing)。

(一)、IoT 0.0即是机器对机器(Machine-to-Machine, M2M)特性包括:联机装置是透过手机或与其他网络、极少的数据数据有整合企业或消费者的应用程序、且重点放在嵌入式硬件和手机网络的“管道(plumbing)”方面。

(二)、IoT 1.0特性包括:云端运算、整合企业管理、支持新的商业模式,如产品即服务、装置与网络安全、大数据分析、聚焦于整合软件功能和应用程序。

(三)、IoT 2.0特性是指物联网将从数据运用至事件响应,再转变为使用知觉工具和认知运算(或预测运算)。

2认知技术成为新的智慧

物联网正在快速地转向运用人工智能(AI)来改变智能装置,在没有人为干预的情况下,能直接对环境的变化做出反应。

2017年云端服务与AI的整合解决方案,能够整合APP、机器学习及AI,以提供完整的情境认知(situation awareness)、预测及规范功能,并帮助组织实现物联网的价值。

3物联网平台商品化

大型企业将持续致力于建设生态系统,并以最低成本提供各种组件(building blocks),借以促进创新和发展新物联网相关的解决方案与能力。

物联网平台的战争早已开始,包括:Amazon网络服务、微软Azure的物联网、IBM Watson云端运算、SAP的HANA,以及PTC的Thingworx等。拥有自己的物联网生态系统的AT&T、Verizon和Cisco等公司,将继续向更大型的平台供货商提供组件(building blocks),并开始将自己生态系统转移至更大的物联网生态系统。

4无人机运输成真

Amazon于2016年12月7日第一次让无人机成功运输包裹。Frost&Sullivan预估无人机商业测试的法规将于2017年通过,2017年底将可提供无人机运输服务。此外,高通公司和AT&T也在测试无人机商业运输、无人机监控森林大火、移动通信基地台(cell tower)和电缆,同时继续游说立法者批准搭载传感器的无人机可用于商业用途。

5物联网是国家网络安全的危机

不安全的装置和恶意软件恐成为物联网的安全隐患,2017年黑客入侵物联网装置而造成损失。例如:2006年10月DDoS攻击,黑客成功入侵无人监控的摄影机。目前有数十亿个网络设备正在运行,类似的黑客攻击会入侵电网基础设施、联网汽车(connected car),交通监视器、核电厂等等,将成为国家网络安全的危机。

6智能汽车和智能家居的融合已经实现

物联网让移动装置和智能家居得以融合,能帮助消费者实现集中管理数字生活的梦想。其中包含:共享汽车、整合火车与飞机的行程、汽车租赁、响应需求的运输(TAXI、BRT)、都市内的大众交通、汽车能源管理、APP、旅程规划、大数据、动态停车、私人管家等等。

7争取竞争优势的AI助理

Amazon、Google、Apple、Microsoft都在努力抢占个人助理的市占率,为争下家庭、消费者物联网和人工智能的市场大饼。在2017年AI个人助理的发展中,首先将现有服务和具备智能家居解决方案的AI个人助理进行整合;第二阶段则是与车联网进行整合;第三阶段是与自动驾驶整合;最后是小型公司大量引进AI个人助理,将会增加市场领导者的竞争压力。

8云端运算普及化

高效的数据标准与雾运算(Fog Computing)将可支持端点智慧(Endpoint intelligence),将有助于物联网的未来部署。

点运算(Point computing)之特性:具有简单、基于私人云端的物联网部署;企业后端数据处理;以应用为中心的通讯等。

云端运算(Cloud computing)之特性:基于公共云端的物联网部署、协同物联网部署的新兴应用、以云端为中心的通讯。

雾运算(Fog Computing)之特性:在雾运算环境中,端点层级的数据管理、半自动化Semi-autonomous)的物联网应用、以数据为中心的通讯。

本文来源:2017年物联网发展的八大趋势

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