Optimiser la précision d'un moniteur d'activité physique grâce à des capteurs de pression haute précision

Les dispositifs corporels dotés de fonctions de suivi des données de santé et de fitness connaissent un succès grandissant. Bien que les accéléromètres constituent généralement un détecteur de mouvement clé dans ces applications, leur capacité à fournir une estimation précise des mouvements verticaux est limitée, alors qu'il s'agit d'une fonctionnalité essentielle pour déterminer avec précision des paramètres comme les calories dépensées lors de l'ascension d'une côte. L'ajout d'un capteur de pression atmosphérique de précision peut considérablement améliorer la précision de mesure des mouvements verticaux, tout en contribuant à la validation des informations provenant d'autres capteurs.

Il existe maintenant des capteurs de pression atmosphérique suffisamment sensibles pour détecter un changement d'altitude de seulement 13 cm et qui sont proposés dans des formats compacts, basse consommation et robustes, adaptés aux conceptions de dispositifs corporels.

Cet article aborde le rôle de ces dispositifs dans les moniteurs d'activité physique, présente un exemple de capteur de pression d'air de TE Connectivity Measurement Specialties qu'il est possible d'utiliser pour cette application, puis explique son utilisation.

Le rôle des altimètres dans les moniteurs d'activité physique

La détection des mouvements inertiels est un élément central des produits de suivi de l'activité physique. Elle utilise des dispositifs comme des accéléromètres, à partir desquels il est possible de calculer des paramètres comme le nombre de pas effectués, la distance parcourue et les calories dépensées (Figure 1). Cependant, la mesure des mouvements verticaux est un défi pour ces capteurs. Une activité comme monter des escaliers présente un profil d'accélération suffisamment différent de celui de la marche ordinaire pour assurer une détection fiable en toute simplicité. En revanche, il est difficile de distinguer la marche en pente de la marche sur un sol plat en se basant uniquement sur l'accélération. Pourtant, les efforts nécessaires (et les calories dépensées) peuvent être très différents.

Certaines études faites auprès des consommateurs sur la précision du suivi de l'activité physique ont révélé que certains dispositifs de première génération donnaient des estimations présentant un décalage allant jusqu'à 30 % par rapport à la réalité. Pour pouvoir déterminer de manière plus précise les paramètres d'activité physique, les moniteurs d'activité physique nécessitent un moyen simple et fiable de mesurer avec précision les mouvements verticaux.

Figure 1 : Les dispositifs corporels avec fonction de suivi de l'activité physique connaissent un succès grandissant auprès des consommateurs. (Source de l'image : DigiKey Electronics, d'après un document source de TE Connectivity)

Un capteur de pression atmosphérique (ou baromètre) peut être une bonne solution. Tous les autres facteurs étant égaux, la pression atmosphérique dépend de l'altitude et suit une relation connue sous le nom de « gradient vertical », qui correspond au taux de variation d'une variable atmosphérique en fonction de l'altitude. Un capteur de pression atmosphérique (ou barométrique) peut ainsi fonctionner comme un altimètre barométrique en appliquant la formule barométrique résolue pour la hauteur :

Équation 1¹

Où :

P est la pression actuelle

P₀ est la pression au niveau de la mer (h = 0)

La hauteur (h) est en mètres (m)

Cette formule inclut plusieurs suppositions, notamment la composition atmosphérique et une température ambiante de 15°C. Un calcul précis de la hauteur absolue nécessiterait donc des informations supplémentaires. Cependant, l'équation reste valable, même dans des conditions de pression différentes, et ne dépend que très peu des conditions de température. En tant que telle, l'Équation 1 peut donner lieu à une variation précise de la hauteur simplement en comparant les résultats de deux mesures de pression successives.

La pression atmosphérique standard au niveau de la mer est d'environ 1013 millibars (mbar), et une différence de pression d'un millibar correspond à une variation verticale d'environ 8 m. Cela signifie qu'avec l'Équation 1, un degré élevé de précision de la mesure de la pression est nécessaire pour détecter un mouvement vertical à l'échelle humaine. Heureusement, il existe désormais des capteurs de pression compacts offrant une précision suffisante.

Le capteur de pression MEMS (microsystèmes électromécaniques) MS5840-02BA de TE Connectivity Measurement Specialties (Figure 2) en fait partie. Ce dispositif fournit des mesures 24 bits de la pression atmosphérique et de la température ambiante, avec une résolution de hauteur effective de 13 cm dans le cas d'une application d'altimètre (ce qui est une résolution suffisamment précise pour détecter le changement d'altitude qu'implique la montée d'une seule marche).

Figure 2 : Le module compact de capteur de pression d'air MS5840-02BA offre des performances et une précision élevées dans une empreinte de 3,3 mm x 3,3 mm, avec une hauteur de 1,7 mm. (Source de l'image : TE Connectivity)

Le MS5840 combine un capteur de pression MEMS avec un circuit ASIC personnalisé qui numérise le signal du capteur analogique et fournit une interface de dispositif hôte via le bus I²C. Aucun composant supplémentaire n'est donc nécessaire lors de l'ajout de ce dispositif à une conception de moniteur d'activité physique. Il s'agit d'un module compact à montage en surface avec une empreinte de 3,3 mm x 3,3 mm et une hauteur de 1,7 mm, ce qui le rend assez petit pour être utilisé dans des dispositifs corporels. Une protection améliorée contre les décharges électrostatiques (DES) à l'aide d'un couvercle haute endurance mis à la terre est disponible en option pour assurer une protection contre l'électricité statique générée par l'homme.

Les modules prennent en charge cette grande précision en permettant aux concepteurs d'effectuer une compensation de premier et de second ordre des mesures brutes du capteur pour tenir compte des variations de la température et du dispositif. Chaque dispositif est étalonné en usine à deux températures et deux pressions pour fournir des paramètres d'étalonnage à utiliser dans les calculs de premier ordre :

• Température de référence - T_REF
• Sensibilité de pression à la température de référence - SENS_T1
• Coefficient de température de sensibilité de pression - TCS
• Décalage de pression à la température de référence - OFF_T1
• Coefficient de température de décalage de pression - TCO
• Coefficient de température de la température - TEMPSENS

Pour une compensation de premier ordre, les concepteurs doivent récupérer les paramètres d'étalonnage du dispositif et lire les valeurs de pression numérique (D1) et de température (D2) non compensées 24 bits du capteur. Ensuite, la différence entre les températures réelles et de référence (dT = D2 - T_REF) est calculée et utilisée pour adapter la mesure de température numérique (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS) afin d'obtenir des degrés centigrades (°C) avec une précision de 0,01°C (2000 = 20,00°C).

En utilisant la température corrigée, le concepteur doit ensuite corriger la mesure de pression en calculant d'abord le décalage de pression (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) et la sensibilité de pression (SENS = SENS_T1 + TCS x dT) à la température actuelle. La pression compensée en température en millibars avec une précision de 0,01 mbar (110 002 = 1100,02 mbar) est alors calculée comme suit : P = ((D1 x SENS/2²¹) - OFF)/2¹⁵.

Les mesures corrigées de premier ordre sont valables pour l'air chaud. Cependant, à des températures plus basses, les capteurs nécessitent une correction de second ordre, comme le montre la Figure 3. En utilisant les résultats de la correction du premier ordre, la température et la pression doivent être recalculées différemment pour les températures basses (case du milieu, >10°C) ou très basses (case la plus à gauche, inférieures ou égales à 10°C).

Figure 3 : Bien que les calculs de premier ordre puissent être utilisés avec de l'air chaud, lorsque les températures passent en dessous de 20°C et de 10°C, une compensation de second ordre des mesures du capteur peut être nécessaire. (Source de l'image : R. Quinnell, d'après un document source de TE Connectivity)

L'exécution de corrections de premier et de second ordre donne lieu à un degré de précision élevé pour les mesures de pression et de température sur une plage étendue de températures, comme le montre la Figure 4.

Figure 4 : En effectuant une compensation de premier et de second ordre, les concepteurs peuvent obtenir une grande précision sur une plage étendue de températures avec le capteur de pression MS5840. (Source de l'image : TE Connectivity)

En plus de sa taille compacte et de sa grande précision, le MS5840 présente plusieurs autres attributs qui le rendent particulièrement adapté aux applications de dispositifs corporels. Il est capable de fonctionner avec une tension d'alimentation de 1,5 V à 3,6 V, ce qui le rend compatible avec les conceptions logiques de 1,8 V et 3,3 V. Il offre également une basse consommation, avec une absorption de courant en mode veille de moins de 0,1 microampère (µA).

Le courant de fonctionnement dépend de la fréquence et de la résolution des mesures du capteur. Le convertisseur analogique-numérique (CAN) intégré utilise une approche de conversion Sigma-Delta avec un taux de suréchantillonnage (OSR) sélectionnable. Cela permet aux développeurs d'optimiser le compromis entre la vitesse de conversion et la puissance consommée. La consommation de courant de crête pendant la conversion s'élève typiquement à 1,25 milliampère (mA), mais avec le taux de suréchantillonnage réglé au maximum (8192), la conversion ne dure que 17 millisecondes (ms), pour une puissance moyenne de 20 µA lors de la mesure à un échantillon par seconde. Le taux de suréchantillonnage minimum (256) ne prend que 0,54 ms pour une consommation moyenne de 0,63 µA.

La résolution du capteur est également affectée par les paramètres de taux de suréchantillonnage. Cela doit être pris en compte dans les décisions. Au taux de suréchantillonnage maximum, la résolution du module est de 0,016 mbar, ce qui correspond à une différence de hauteur légèrement inférieure à 13 cm. Au taux de suréchantillonnage minimum (25), la résolution est de 0,11 mbar, soit environ 90 cm.

Points à prendre en compte lors de la conception avec un capteur de pression

Les développeurs qui cherchent à utiliser un capteur de pression comme altimètre barométrique doivent garder à l'esprit quelques points liés à la conception système. Un capteur de pression MEMS est essentiellement une fine plaque de silicium montée comme couvercle d'une chambre contenant du gaz à une pression de référence (ou un vide). La surface supérieure de la plaque est exposée à la pression atmosphérique via une ouverture ou un port dans le boîtier du capteur. Une différence entre la pression de la chambre et la pression de l'air ambiant fait fléchir la plaque, créant ainsi une contrainte mécanique qui génère un signal électrique proportionné. L'ASIC intégré au MS5840 détecte et numérise ce signal.

Cette nécessité d'exposer le capteur à la pression de l'air ambiant signifie qu'une conception de dispositif corporel doit fournir un trajet dégagé entre le port du capteur et l'air extérieur. Pourtant, ce trajet permet non seulement à l'air d'entrer dans le dispositif, mais laisse aussi pénétrer l'eau et la poussière. Les développeurs doivent donc être prudents quant au placement du capteur dans le dispositif corporel (pour éviter l'obstruction du trajet de l'air) et à la conception du logement du dispositif (pour réduire les risques d'entrée d'eau).

Le MS5840 est conçu pour éviter ces problèmes. Le module utilise une structure en couches pour protéger le capteur (Figure 5). La couche la plus basse est un substrat d'alumine avec des pastilles de soudure CMS fournissant une stabilité mécanique à l'assemblage. Sur ce substrat repose le capteur MEMS superposé sur l'ASIC qui fournit la mise en forme des signaux, la conversion numérique et l'interface I²C. Un gel opaque remplit l'espace entre l'assemblage électronique et le capuchon en acier inoxydable qui sert de port atmosphérique au dispositif.

Figure 5 : Le module du capteur de pression MS5840 inclut une couche de gel opaque (matériau noir illustré entre le port [au-dessus] et l'assemblage du capteur [en dessous]) pour protéger les composants électroniques contre la lumière, la poussière et l'humidité. (Source de l'image : DigiKey Electronics, d'après un document source de TE)

Le gel remplit plusieurs fonctions. Sa fonction principale est de transférer la force de la pression atmosphérique à la surface du capteur. Le gel couple mécaniquement le capteur à l'air tout en empêchant la poussière et l'humidité d'atteindre les composants électroniques. Étant donné que le gel est opaque, il offre également une protection supplémentaire contre la lumière pour éviter le bruit électronique induit par les photons. Le capuchon contient le gel, confère au module une rigidité accrue et, avec l'option de mise à la terre, améliore l'immunité du module face aux décharges électrostatiques (DES).

Les développeurs peuvent tirer parti de cette construction en couches pour rendre leur dispositif corporel plus résistant à l'eau en fixant un joint torique au couvercle du capteur et en positionnant le capteur dans le logement du dispositif corporel de sorte que le port en acier inoxydable soit aligné avec l'ouverture d'air du logement. Lorsque le dispositif est entièrement assemblé, le joint torique entre le logement et le capuchon du capteur rend le dispositif étanche à la poussière et à l'eau, tandis que le gel protège le capteur.

Lors de l'intégration d'un altimètre barométrique dans une application de fitness, il faut également prendre en compte un autre élément qui peut être une source d'erreur de mesure : le vent. L'air en mouvement exerce moins de pression que l'air immobile, de sorte qu'une rafale de vent au mauvais moment peut provoquer une chute temporaire de la pression de l'air au niveau du capteur juste au moment où une mesure est effectuée. Ce « bruit » au niveau du signal de pression d'air peut provoquer ce qui ressemble à une variation brusque de la hauteur. Les développeurs de dispositifs de suivi de l'activité physique peuvent cependant atténuer ces erreurs en validant simplement cette variation apparente de la hauteur par rapport à la mesure de l'accéléromètre. S'il n'y a pas d'accélération correspondante, le changement d'altitude peut raisonnablement être ignoré.

Cette atténuation fonctionne dans les deux sens. Un cycliste circulant sur une route cahoteuse peut générer un profil d'accélération semblable à la montée d'escaliers. Cependant, si cette montée d'escaliers apparente ne génère aucun changement d'altitude, le système peut également envisager de ne pas tenir compte des mesures de l'accéléromètre comme bruit ambiant.

Conclusion

À mesure que les dispositifs corporels de suivi d'activité physique prolifèrent, leur capacité à mesurer avec précision les données de santé constitue un facteur de différenciation de plus en plus important. L'ajout d'un altimètre barométrique basé sur la pression peut améliorer la précision des dispositifs corporels de suivi de l'activité physique à bien des égards, en particulier en ce qui concerne les calories dépensées. Ces capteurs peuvent également permettre de valider des informations provenant d'autres capteurs. Cependant, pour s'appliquer aux dispositifs corporels de suivi de l'activité physique, le capteur de pression doit non seulement être très précis, mais doit également pouvoir fonctionner à basse consommation et offrir une empreinte très compacte. Comme indiqué ici, le MS5840-02BA de TE Connectivity fournit la précision, la basse consommation et la taille compacte nécessaires pour s'intégrer parfaitement dans les dispositifs corporels de suivi de l'activité physique nouvelle génération.

Référence

1. A Sensor Fusion Method for Tracking Vertical Velocity and Height Based on Inertial and Barometric Altitude Measurements (Méthode de fusion de capteurs pour suivre la vitesse verticale et la hauteur en fonction des mesures d'altitude inertielle et barométrique), A-M. Sabatini et V. Genovese. (Équation 27)