具有健康和健身追蹤功能的可穿戴設備日漸流行。這類應用往往以加速度計作為主要運動傳感器，但是加速度計無法提供垂直運動的準確估算，而這種估算對于準確計算爬坡消耗的卡路里等參數至關重要。通過添加精密大氣壓力傳感器，可顯著提高垂直運動測量精度，同時也有助于其他傳感器的信息驗證。

目前市面上的大氣壓力傳感器靈敏度足以檢測低至13cm的高度變化，并且體積小巧、堅固耐用且功耗低，適用于可穿戴式設計。

本文探討了這類器件在健身追蹤器中的作用，并介紹TE Connectivity Measurement Specialties推出的一款適用于此應用的氣壓傳感器，并具體說明了應用方法。

高度計在健身追蹤器中的作用

健身追蹤產品的核心元件是用于慣性運動檢測的加速度計等器件，藉此計算步數、行走距離和消耗的卡路里等參數（圖1）。不過，垂直運動測量對于這類傳感器是一項挑戰。就加速度曲線而言，爬樓梯等活動與普通行走截然不同，因而很容易實現可靠檢測，但是沿斜坡行走與在水平地面行走的差異較小，因此僅憑加速度很難區分。然而，這兩種情況下所做的功（和所消耗的卡路里）卻大相徑庭。

對于健身追蹤精度的一些消費者研究表明，某些早期設備可能低估了30%。為了更準確地確定健身參數，健身追蹤器需要一種簡單可靠的方法來精確測量垂直運動。

大氣壓力傳感器（即氣壓計）可以提供解決方案。在所有其他因素均相同的情況下，大氣壓取決于海拔高度，兩者的變化關系稱為“垂直氣壓梯度”，即大氣壓隨高度變化而變化的數值。因此使用氣壓公式來求解高度，即可將大氣壓力（或氣壓）傳感器用作氣壓高度計：

公式1

其中：

P是當前壓力

P0是海平面的壓力 （h=0）

高度 （h） 以m為單位

該公式包含大氣成分和15℃的環境溫度等多個假定，因此如需準確計算絕對高度，就需要更多信息。但即便壓力條件不同，該公式仍然適用，并且受溫度條件影響很小。因此，通過比較兩次連續測量的壓力值，即可由公式1輕松求得精確的高度變化。

海平面的標準大氣壓約為1013mbar，即1mbar壓差對應約8m垂直變化。因此使用公式1時，壓力測量精度必須相當高才能檢測人體的垂直運動。所幸，目前市面上已有緊湊型壓力傳感器足以滿足該精度要求。

TE Connectivity Measurement Specialties的MS5840-02BA微機電系統（MEMS） 壓力傳感器正是這類大氣壓力傳感器之一（圖2）。該器件可對大氣壓和環境溫度進行24位測量，從而在高度計應用中實現13cm的有效高度分辨率——該分辨率足以檢測一級臺階的高度變化。

MS5840集成了MEMS壓力傳感器與定制ASIC，后者可將模擬傳感器信號數字化，并通過I2C總線實現主機與設備的連接，因此無需其他元器件即可將該器件添加至健身追蹤器設計。該模塊采用緊湊型表面貼裝，基底面為3.3 x 3.3mm，高度為1.7mm，小巧的體積適用于可穿戴設備。堅固耐用的蓋子通過接地來加強ESD保護以防止人為產生的靜電。

這類高精度模塊允許設計人員對傳感器原始讀數進行一階和二階補償，從而消除器件和溫度變化產生的誤差。所有器件都分別在兩個溫度和兩個壓力下進行工廠校準，以產生校準參數用于一階計算：

參考溫度 - TREF

參考溫度下的壓力靈敏度 - SENST1

壓力靈敏度的溫度系數 - TCS

參考溫度下的壓力補償 - OFFT1

壓力補償的溫度系數 - TCO

溫度的溫度系數 - TEMPSENS

進行一階補償時，設計人員必須檢索器件的校準參數，獲取傳感器未經補償的24位數字壓力 （D1） 值和溫度 （D2） 值讀數。然后，計算實際溫度與參考溫度的差值 （dT = D2 - TREF），并將其用于修正數字溫度讀數 （TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS），以獲得精度為0.01℃的攝氏度 （℃）（2000 = 20.00℃）。

接下來，設計人員必須使用經修正的溫度來修正壓力讀數，方法是先計算當前溫度下的壓力補償 （OFF = OFFT1 + TCO x dT） 和壓力靈敏度 （SENS = SENST1 + TCS x dT）。然后計算經溫度補償的壓力P = （（D1 x SENS/221） - OFF）/215，以mbar為單位，精度為0.01mbar （110002 = 1100.02mbar）。

經一階修正的讀數在環境溫度較高時有效。但是在較低的溫度下，傳感器需要進行二階修正，如圖3所示。對于低溫（中間方框，＞10℃）和超低溫（左方框，≤10℃），使用一階修正的結果計算溫度和壓力的方法有所不同。

圖3：環境溫度較高時可使用一階計算，但是當溫度降至20℃以下，甚至10℃以下時，就可能需要對傳感器讀數進行二階補償。（圖片來源：R. Quinnell，原始資料來源于TE Connectivity）

結果表明，在較寬溫度范圍內，經過一階和二階修正的壓力和溫度讀數精度都很高，如圖4所示。

圖4：通過一階和二階補償，設計人員可以實現MS5840壓力傳感器在較寬溫度范圍內的高精度。（圖片來源：TE Connectivity）

除了體積小、精度高以外，MS5840還具有一些其他特性使其特別適合可穿戴式應用。該器件的工作電壓為1.5V至3.6V，因而可兼容1.8V和3.3V的邏輯設計。此外，這款低功耗器件的待機電流不足0.1μA。 工作電流將取決于傳感器讀數的頻率和分辨率。

內置模數轉換器 （ADC） 采用三角積分轉換方法，過采樣率（OSR） 可選。因此，開發人員能夠實現轉換速度與功耗之間的最佳平衡。轉換過程中峰值電流典型值為1.25mA，但OSR設置為最大值 （8192） 時，若每秒讀取一個樣本，則轉換時間僅為17ms，平均電流為20μA。

OSR設置為最小值 （256） 時，轉換時間僅為0.54ms，平均電流為0.63μA。 此外，傳感器分辨率也受OSR設置影響，因而也應納入權衡范圍。在最大OSR下，模塊分辨率為0.016mbar，對應高度差不足13cm。在最小OSR （25） 下，分辨率為0.11mbar，對應高度差約為90cm。

壓力傳感器設計考慮因素

使用壓力傳感器作為氣壓高度計時，開發人員需要注意以下系統設計考慮因素。本質上，MEMS壓力傳感器是將一塊硅薄片蓋在填充參考壓力氣體（或真空）的腔室上。薄片上表面通過傳感器封裝的開口或端口連通大氣壓。腔室和環境之間的氣壓差使薄片彎曲變形而產生機械應力，從而產生成正比的電信號。

MS5840的內置ASIC可檢測該信號并將其數字化。 由于傳感器需連通環境氣壓，因此可穿戴設備設計必須為傳感器端口提供連通外部空氣的暢通路徑。不過，這一路徑不僅允許空氣進入器件，同時也會讓水和灰塵由此進入。因此，在可穿戴設備設計中，開發人員既要注意傳感器放置的位置以免阻塞空氣路徑，還須考慮設備外殼設計以實現最佳防水性能。

MS5840的設計可有效解決這一問題。該模塊采用分層結構來保護傳感器。最底層是氧化鋁基板，SMT焊盤可為組件提供機械穩定性。MEMS傳感器堆疊在ASIC上并裝于基板之上，ASIC可提供信號調節、數字化轉換和I2C接口。電子組件與不銹鋼蓋之間使用不透明凝膠填充，不銹鋼蓋用作器件連通大氣的端口。

凝膠的用途有多種，主要功能是將大氣壓傳遞到傳感器表面。凝膠既可作為傳感器與空氣的機械耦合，又能防止灰塵和濕氣進入電子器件。由于凝膠不透明，因此還可提供額外的光保護，以避免由光子引起的電子噪聲。蓋中包含凝膠可增強模塊剛性，搭配接地選項即可提高模塊的ESD抗擾度。

開發人員可以利用這種分層結構，在傳感器蓋上粘附O形圈，將傳感器置于可穿戴設備外殼內并使不銹鋼端口與外殼的空氣開口齊平，以提高可穿戴設備的防水性能。完成組裝后，設備外殼和傳感器蓋之間的O形圈可密封外殼，防止灰塵和水侵入設備，而凝膠則可保護傳感器。

將氣壓高度計整合至健身應用時，需要注意的另一個考慮因素是潛在的測量誤差來源：風。流動空氣比靜止空氣的壓力小，因此如果測量過程中突然刮起一陣大風，則會導致傳感器檢測的氣壓瞬間下降。氣壓信號中的這種“噪聲”可能會造成高度陡變的假象。然而，健身監測設備開發人員只需對照加速度計讀數來驗證高度變化的表征，即可消除這類誤差。如果沒有相應的加速度，則高度“陡升”現象完全可以忽略。

對照消除法對于加速度同樣適用。在崎嶇路面騎行產生的加速度曲線可能與爬樓梯類似。但是，如果爬樓梯的加速度表征沒有引起相應的高度變化，則系統也可考慮將加速度計讀數忽略為環境噪聲。

總結

隨著可穿戴式健身追蹤器的普及，設備健康數據的測量精度逐漸成為產品差異化要素。添加基于壓力的氣壓高度計可從多方面提高可穿戴式健身設備的精度，尤其是消耗的卡路里方面。此外，這類傳感器還有助于其他傳感器的信息驗證。不過，如需適用于可穿戴式健身監測設備，壓力傳感器既要具有高精度，還須采用超小型封裝并能以低功耗運行。如上所述，TE Connectivity的MS5840-02BA具有高精度、小尺寸和低功耗的特性，完全滿足下一代可穿戴式健身追蹤器的需求。

編輯：jq