智能手表中的傳感器與相關(guān)模塊原理分析

拋開時(shí)尚的外殼

智能手表本質(zhì)上是一個(gè)依賴各種傳感器的產(chǎn)品

監(jiān)測(cè)睡眠、監(jiān)測(cè)心率、運(yùn)動(dòng)提醒、GPS定位……

由傳感器開啟的這些新應(yīng)用將手表帶入一個(gè)新的時(shí)代

智能手表中都用到哪些傳感器與相關(guān)模塊呢

今天就來盤點(diǎn)下

適用于血壓監(jiān)測(cè)的生命體征傳感器

生命體征傳感器如何實(shí)現(xiàn)血壓監(jiān)測(cè)呢？

以集成式生命體征傳感器參考設(shè)計(jì)AS7024為例進(jìn)行 簡(jiǎn)要說明。AS7024 HRM操作以光電容積脈搏波描記法（PPG）為基礎(chǔ)，通過由血管調(diào)整的采樣光來測(cè)量脈搏率，當(dāng)血液脈沖通過時(shí)，血管會(huì)擴(kuò)張和收縮。采用了與合作伙伴共同合作開發(fā)的專有軟件，能夠分析并同步心率測(cè)量（HRM）和心電圖（ECG）測(cè)量以計(jì)算血壓。

不得不承認(rèn)，加入了AS7024的可穿戴設(shè)備，幫助用戶實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的健康追蹤，bigger提升了很。

AS7024外形小巧，特別適合電路板空間有限的健身腕帶、智能手表、運(yùn)動(dòng)手表及智能貼片。同時(shí)它還為更廣泛尺寸的生命體征監(jiān)測(cè)與汽車或個(gè)人健康監(jiān)測(cè)等終端市場(chǎng)，開啟了大門。

AS7024 HRM操作以光電容積脈搏波描記法（PPG）為基礎(chǔ)，通過由血管調(diào)整的采樣光來測(cè)量脈搏率，當(dāng)血液脈沖通過時(shí)，血管會(huì)擴(kuò)張和收縮，這項(xiàng)技術(shù)是經(jīng)過驗(yàn)證的。心電圖是測(cè)量心臟竇房結(jié)生成的電子脈沖的標(biāo)準(zhǔn)方法。

AS7024參考設(shè)計(jì)采用了與合作伙伴共同合作開發(fā)的專有軟件，能夠分析并同步HRM和ECG測(cè)量以計(jì)算血壓。根據(jù)IEEE可穿戴無袖帶設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，AS7024已經(jīng)通過奧地利格拉茨醫(yī)科大學(xué)執(zhí)行的臨床試驗(yàn)驗(yàn)證，可以提供精確的血壓測(cè)量。

參考設(shè)計(jì)生成的結(jié)果也被拿來與采用手術(shù)級(jí)袖帶式血壓測(cè)量儀器所取得的參考測(cè)量進(jìn)行了比較。在100多名18-65歲受試者合計(jì)進(jìn)行的1，000多次測(cè)量中驗(yàn)證了，AS7024參考設(shè)計(jì)能夠精確至收縮壓《± 7.5 mmHg，舒張壓《± 5.5 mmHg。

環(huán)境光傳感器幫助實(shí)現(xiàn)最佳顯示效果

環(huán)境光線傳感器目前被廣泛用于許多LCD顯示應(yīng)用，從消費(fèi)電子到汽車應(yīng)用，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器亮度，它們能夠幫助節(jié)約設(shè)備電池電量。此外，這些傳感器在自然日光、熒光和白熾燈等各種光源下都能夠出色工作。最近有很多這樣的產(chǎn)品發(fā)布，而且它們都有一個(gè)共同的特性，即這些新開發(fā)的環(huán)境光線傳感器能夠匹配人眼的要求，這對(duì)于緩解眼睛疲勞非常重要。

環(huán)境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。例如，在手機(jī)、筆記本、平板電腦等移動(dòng)應(yīng)用中，顯示器消耗的電量高達(dá)電池總電量的30%，采用環(huán)境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時(shí)間。另一方面，環(huán)境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當(dāng)環(huán)境亮度較高時(shí)，使用環(huán)境光傳感器的液晶顯示器會(huì)自動(dòng)調(diào)成高亮度。當(dāng)外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會(huì)調(diào)成低亮度。。

環(huán)境光傳感器技術(shù)原理

環(huán)境光傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要三大部分：監(jiān)測(cè)環(huán)境光強(qiáng)的光傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置（通常是微控制器）、控制背光輸入電流的執(zhí)行器。

圖1是實(shí)施背光控制的系統(tǒng)示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關(guān)鍵的組成部分，因?yàn)樗蛳到y(tǒng)的其他模塊提供環(huán)境光強(qiáng)信息。光傳感器必須具備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器（譬如光電二極管或CdS光敏電阻）和信號(hào)放大和/或調(diào)節(jié)裝置以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

圖1. 實(shí)施背光控制的系統(tǒng)框圖

圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器：一個(gè)用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換，可能還需要一級(jí)放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號(hào)鏈。而在空間極其寶貴的應(yīng)用中，所需元件的數(shù)量過多可能導(dǎo)致空間受限問題。

圖2. 光電二極管電路分立設(shè)計(jì)

這里還存在一個(gè)更細(xì)微的問題。具體而言，理想情況下，應(yīng)確保環(huán)境光的測(cè)量模擬了人眼對(duì)光線的響應(yīng)機(jī)制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線（圖3）。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應(yīng)機(jī)制，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂泻芨叩?a href="http://wenjunhu.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外（IR）靈敏度。在IR強(qiáng)度較大的光照條件（譬如白熾燈或日光）下，這種紅外靈敏度會(huì)造成錯(cuò)誤地判斷光線強(qiáng)度。

圖3. CIE曲線和典型的光電二極管

解決上述問題的方法之一是使用兩個(gè)光電二極管：一個(gè)采用對(duì)可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個(gè)采用只對(duì)紅外光敏感的元件。最終用前者的響應(yīng)值減去后者的響應(yīng)值，將紅外干擾降至最小，獲得準(zhǔn)確的可見光響應(yīng)。

智能手表的顯示屏能根據(jù)不同的室內(nèi)外光照強(qiáng)度來自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度，最大功臣非環(huán)境光傳感器莫屬。ams的環(huán)境光傳感器TSL2584TSV，1.145mm x 1.66mm x 0.32mm，這款產(chǎn)品代表了當(dāng)年全球環(huán)境光傳感器的最優(yōu)水平。

在顯示屏管理應(yīng)用中，利用環(huán)境光傳感器來自動(dòng)控制背景光亮度，能夠在確保最佳用戶體驗(yàn)的同時(shí)延長電池壽命。TSL2584TSV具有兩大亮點(diǎn)，一是利用先進(jìn)的TSV封裝技術(shù)，極大的提升了器件的可靠性。它具有極強(qiáng)的適光響應(yīng)性，即使位于深色玻璃背后，也能夠精確測(cè)量光照強(qiáng)度。二是采用先進(jìn)的晶圓制程技術(shù)和精確安裝的干涉濾光器，幫助實(shí)現(xiàn)了環(huán)境光傳感器的卓越性能。

超長續(xù)航就靠這個(gè)集成電源管理模塊了

電池充電最重要的就是這三步：

第一步：判斷電壓《3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，0.05C電流；

第二步：判斷 3V《電壓《4.2V，恒流充電0.2C~1C電流；

第三步：判斷電壓》4.2V，恒壓充電，電壓為4.20V，電流隨電壓的增加而減少，直到充滿。

充電開始時(shí)，應(yīng)先檢測(cè)待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定電流 的1/10，一般選0.05C左右。電壓升到3V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。

一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿。

術(shù)語解釋：充放電電流一般用C作參照，C是對(duì)應(yīng)電池容量的數(shù)值。電池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的電池容量1200mAh，對(duì)應(yīng)的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

下面是鋰電池典型充電曲線圖：

三、鋰電池的放電，對(duì)電池來說，正常使用就是放電過程

鋰電池放電只需要注意很少的幾點(diǎn)：

1、放電電流不能過大， 過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會(huì)造成永久性的損害；

2、絕對(duì)不能過放電！鋰電池最怕過放電，一旦放電 電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。

下面是一般鋰電池的典型放電曲線圖：

從典型放電曲線圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

所以，一般情況下電池大負(fù)荷工作后，減少負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)電壓回升現(xiàn)象，就是所說的“回電”現(xiàn)象。

給個(gè)圖看看，這個(gè)放電曲線圖在放電過程中停了一下，出現(xiàn)了“回電”。

AS3701的電源輸出包含兩個(gè)200mA低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），一個(gè)500mA降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器，以及兩個(gè)40mA（最大值）可編程電流阱。同步降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高達(dá)4M Hz因此只需一個(gè)小型感應(yīng)器和一個(gè)10μF輸出電容。

微型PMIC的集成鋰電池充電器能夠在涓流、恒流、恒壓模式下運(yùn)作，并提供最大值為500mA的充電電流。電源通路管理功能使設(shè)備在電池耗盡的情況下插入充電器時(shí)能立刻開啟設(shè)備，并對(duì)電池充電電路和系統(tǒng)供電電路的電源分配進(jìn)行優(yōu)化。

許多應(yīng)用可通過主處理器或微控制器的I2C接口來配置AS3701。該器件還包含了多功能I/O接口，可用于在待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)電源的啟動(dòng)/關(guān)閉、PWM輸入和輸出，以及中斷與控制任務(wù)。

設(shè)計(jì)者能夠通過OTP（一次可編程存儲(chǔ)器）來靈活地實(shí)現(xiàn)不同處理器或不同應(yīng)用所需的上電時(shí)序。這意味著OEM廠商能夠在多種終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用相同的電源解決方案，有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開發(fā)及整合過程。

該器件同時(shí)集成電池溫度監(jiān)測(cè)、上電復(fù)位、過電流保護(hù)功能，可確保運(yùn)行的可靠性和安全性。

AS3701融合了ams多年設(shè)計(jì)和制造小型高效電源電路的豐富經(jīng)驗(yàn)，是如今最先進(jìn)的小型化電源電路，非常適合空間緊湊的可穿戴式設(shè)備，能有效延長設(shè)備的電池壽命。

對(duì)于一塊智能手表來說，長續(xù)航的重要性不言而喻。集成電源管理單元AS3701的集成鋰電池充電器能夠在涓流、恒流、恒壓模式下運(yùn)作，并提供最大值為500mA的充電電流。電源通路管理功能使設(shè)備在電池耗盡的情況下插入充電器時(shí)能立刻開啟設(shè)備，并對(duì)電池充電電路和系統(tǒng)供電電路的電源分配進(jìn)行優(yōu)化。這款產(chǎn)品堪稱長續(xù)航電源管理模塊中的戰(zhàn)斗機(jī)，自發(fā)布以來一直風(fēng)靡可穿戴界。

NFC技術(shù)推動(dòng)非接觸式支付發(fā)展

增強(qiáng)型NFC技術(shù)的近場(chǎng)通信模擬前端AS3921采用主動(dòng)負(fù)載調(diào)制：它產(chǎn)生一個(gè)與讀卡器磁場(chǎng)同步的RFID卡響應(yīng)。這使卡片-讀卡器通訊的耦合因素比非接觸式卡片使用的被動(dòng)負(fù)載調(diào)制（PLM）小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。相比傳統(tǒng)NFC的使用，該解決方案可提高NFC讀卡器可用工作場(chǎng)多達(dá)900%。這極大提升了NFC交易的可靠性和感知速度，不管是支付終端、地鐵驗(yàn)票閘門還是其他包含NFC讀卡器設(shè)備之間更可靠的連接，AS3921都可以演繹的得心應(yīng)手。

超高精度溫濕度監(jiān)測(cè)

能夠檢測(cè)溫度、濕度的穿戴式設(shè)備，還是很炫酷的功能。

ENS210可在0°C到70°C的范圍內(nèi)提供精確度最高達(dá)±0.2°C的開爾文數(shù)字溫度輸出。它還能測(cè)量相對(duì)濕度，并以數(shù)字形式輸出，精確度最高為±3.5%。產(chǎn)品在送達(dá)客戶手中時(shí)已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)，因此傳感器無需再在生產(chǎn)線上進(jìn)行調(diào)整。產(chǎn)品通過一個(gè)I2C接口提供數(shù)字輸出，無需主設(shè)備的應(yīng)用程序處理器或微控制器進(jìn)行信號(hào)處理。

ENS210在待機(jī)模式下只消耗40nA的電流，在主動(dòng)測(cè)量模式下電流消耗為7.1μA（1Hz下取樣），因此只消耗手持和便攜式產(chǎn)品電池的極少能量。產(chǎn)品可在寬輸入電壓范圍1.71-3.6V下工作，意味著配備1.8V/3.3V雙電壓供電的系統(tǒng)無需在載荷點(diǎn)增加額外的電平調(diào)節(jié)電源。

當(dāng)用于可穿戴設(shè)備時(shí)，ENS210的相對(duì)濕度和環(huán)境溫度讀數(shù)有助于提高對(duì)環(huán)境條件依賴性極高的身體運(yùn)動(dòng)測(cè)量的精確性和可靠性。它也可以為溫度調(diào)節(jié)器以及諸如空調(diào)和凈化系統(tǒng)、冰箱、干衣機(jī)、微波爐、廚房抽氣機(jī)和天氣監(jiān)測(cè)裝置等互聯(lián)家用電器提供精巧的自動(dòng)化操作或性能提升功能。

相對(duì)濕度和溫度傳感器ENS210 可在0°C到70°C的范圍內(nèi)提供精確度最高達(dá)±0.2°C的開爾文數(shù)字溫度輸出。它還能測(cè)量相對(duì)濕度，并以數(shù)字形式輸出，精確度最高為±3.5%。