看生物傳感器如何玩轉可穿戴設備

　　根據市調機構IDC預測，在未來幾年，智能手表、手環(huán)等手戴產品將一直領跑整個可穿戴市場。IDC稱，2015年手戴設備出貨量將達到4070萬部，占據可穿戴設備出貨量的九成。由于手戴產品能幫助人們分析日常行為活動，極大地改善了我們的生活方式，因此與之相關的可穿戴技術受到了越來越多的關注度。

　　我們知道，一個典型的可穿戴設備通過一個外部設備整合用戶數據和外部數據分析并顯示用戶信息。可穿戴設備的結構包括一個或多個傳感器、存儲器件、連接器件(射頻控制器)、顯示屏及電池。目前市場上最有名的的可穿戴電子設備當屬智能手表、健身手環(huán)及活動檢測器，這些設備通過一個或者多個傳感器測量和捕獲用戶信息。因此，手戴產品對傳感器有著高應用需求，促使整個傳感器迅猛增長。據世強產品經理羅光川表示：“可穿戴設備在全球引起廣泛關注，這種趨勢在中國尤為明顯。作為可穿戴設備重要組成部分的傳感器因此變得炙手可熱。”

　　他表示，目前一些較新的可穿戴設備利用光學傳感器來追蹤生命指標。Silicon labs擁有的高性能、低功耗的傳感器產品，如紫外線傳感器、紅外光/環(huán)境光傳感器等等，可感應出UV指數、環(huán)境光、心率/脈搏血氧飽和度以及2D或者3D手勢應移動等。世強憑借廣泛的目標客戶群使得傳感器業(yè)務獲得大幅增長。羅光川介紹到：“針對可穿戴設備，Silicon labs開發(fā)的生物傳感器Si1132/4X系列，主要用于測量人們的心跳、血壓，追蹤陽光紫外線強度等，并且這些傳感器致力于小尺寸以應對可穿戴領域的挑戰(zhàn)。”

　　圖1：Si1132/4X接近/環(huán)境光/UV檢測器

　　Si1132是Silicon labs推出的全球首款單芯片數字紫外線指數傳感器，支持UV指數檢測，可作為智能可穿戴和保健應用的首選。由于集成了光傳感器，因此Si1132可自動調整顯示來優(yōu)化功耗并使人眼更為舒適，并且與加速度計配合能實現睡眠追蹤。人體接收適度的紫外線是可取的，但是過度的照射則會引起致命的皮膚癌。羅光川表示：“在紫外線檢測應用中，Si1132可提供實時的累積的紫外線指數照射，從而能幫助人們降低患皮膚癌的風險，輕松愉快享受健康的戶外生活，因此Si1132已成功地應用于健康手環(huán)和健康戒指上。在接近/環(huán)境光檢測應用中，Si1132具有強大的長距離接近檢測，在室內可達到2米。世強看好Si1132在物聯(lián)網、工業(yè)和消費中的顯示接口應用，接近功能可用于喚醒設備。比如物聯(lián)網控制面板檢測到人喚醒、遠程控制檢測到人喚醒、可視門鈴檢測到人喚醒以及非接觸式干手器等。此外，環(huán)境光傳感器自動調節(jié)顯示器亮度，從而提高可閱讀性，減少眼睛負擔，并降低電量消耗。”

　　圖2：Si1132的UV檢測功能

　　具體到產品技術，Si1132的電池壽命超長，在1Hz采樣頻率下的功耗僅為1.2uA，采用2×2×0.65毫米QFN封裝，并且在出廠前校準提高了產品的一致性。Si1132配備I2C接口此外，Si1132牢靠的傳感架構內包含一個高達128klux感應能力的光傳感器，因此在寬動態(tài)范圍光源內Si1132依舊保持性能不便。羅光川指出，Si1132單芯片方案集成了光敏二極管、ADC和信號處理功能，從而簡化產品設計和具有高靈敏度,可在包括深色玻璃在內的各種材料覆蓋下工作。

　　另外，Silicon labs推出的Si114X系列UV和IR接近/環(huán)境光傳感器在紫外線和光環(huán)境功能上和Si1132一樣。兩者不同的是Si114X根據型號提供單、雙和三個LED驅動器集成選項，并且能為為手勢識別提供15級可選擇的驅動等級。據羅光川介紹：“Si114X系列可應用于心率和血氧測量和生物計量、最長距離可達1.5m的長距離接近檢測以及先進的2D和3D手勢檢測等。如LG心率耳塞就使用了Si114X。” 值得一提的是，Si114X還是革新的超低功耗單脈沖傳感器，最小化IR LED導通時間為25.6us。羅光川特別強調，Si114X具有多個LED無觸摸2D和3D手勢感應，即使是在陽光照射下，也有非常高的動態(tài)范圍。

　　圖3：Si114X集成了3個LED驅動器

　　從上圖可以看出，Si114X最多能集成3個LED驅動器。LED驅動器的作用是為健康和健身跟蹤器通過反射式心率和血飽和度測量功能，非接觸式接口能支持終端用戶遠距離控制。SI114X系列內部帶有一個或多個紅外發(fā)光二極管驅動器，驅動電流可以通過寄存器進行設置，驅動器驅動外接的紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光(波長范圍一般在750到950之間。850nm最好)，當有人或其他物體接近時，發(fā)出的紅外光被反射回到接近傳感器的紅外光接收窗口，經過內部的ADC轉換，再通過I2C接口電路發(fā)送給MCU，就可以根據計算出的光強大小，得出有人或物體在接近。Si1146和Si1147支持高級運動和手勢感應，Si1146可以實現Z軸和X軸運動感應和非接觸式控制，而Si1147添加了第三軸，可以實現三維運動感應。兩個傳感器提供的反射測量能夠進行后處理，以進一步判別手勢。

　　圖4： Si114x在手勢應用中的優(yōu)勢

　　在手戴產品系統(tǒng)中，若是離散組件較多，不僅會增加電兼容和測試方面的復雜性，還會增加功耗、BOM成本以及PCB尺寸等。Silicon labs的UV指數傳感器IC單芯片解決方案可針對性地解決上述問題。羅光川表示，該方案的優(yōu)勢體現在2mm×2mm封裝的單芯片IC中集成了UV指數傳感器和數字處理電路，直觀來說，在8.5英寸寬的頁面中可防治655顆UV指數傳感器IC。由于具有超低功耗架構，用戶使用Silicon labs UV指數傳感器幫助用戶采用小電池實現可穿戴薄設計，同時在每秒一次的UV測量速率下平均電路低至1.2uA，從而延長了電池壽命。羅光川表示：“世強不但提供功能豐富的各類傳感器產品，而且我們將不斷深化與原廠的合作，憑借世強廣泛的分銷網絡為客戶提供更好的服務，同時為客戶提供及時的現場應用支持。”