雙濾光片的ROHM脈搏傳感器
對城市里生活的人們來說，繁忙是主體旋律，由于缺乏運(yùn)動身體素質(zhì)變得越來越差。隨著人們健康意識的提高，運(yùn)動變成一種時尚，因此，可穿戴設(shè)備也越來越受歡迎，從各種手環(huán)等運(yùn)動監(jiān)測設(shè)備的熱賣可以看出。但是，目前手環(huán)的測量準(zhǔn)確度還存在很多問題。很多人可能聽過這樣一個笑話：有人佩戴手環(huán)刷一次牙計步器就會增加好幾百，如此算來每天多刷幾次牙就完成跑步任務(wù)了。因此，不斷提高測量精度成為很多傳感器廠商的重要任務(wù)，最近ROHM推出了一款采用光學(xué)濾光片結(jié)構(gòu)的脈搏傳感器BH1790GLC，可以提高測量精準(zhǔn)度，降低設(shè)備功耗。
濾光片+獨(dú)特的算法，實現(xiàn)醫(yī)療級別的測量精度
如果測量足夠準(zhǔn)確，前文中手環(huán)的計步結(jié)果就不會出現(xiàn)測量不準(zhǔn)的笑話了。為了實現(xiàn)更高的測量精度，BH1790GLC內(nèi)置了紅外濾光片以及彩色濾光片。濾光片的作用是什么？我們不妨先看看脈搏傳感器的工作原理，整個模塊包括兩個部分：一部分是綠色的LED的發(fā)射，右邊是芯片的接收，主要利用的是綠光達(dá)到人體的血管之后進(jìn)行散射回來檢測的一個結(jié)果。人體心臟在收縮與舒張的過程當(dāng)中，血管中的血流會發(fā)生體積變化，當(dāng)血流變多時，反射回來的綠光強(qiáng)度就會變小，血流變少時綠光強(qiáng)度就會變大，最終出現(xiàn)的就是一個脈沖的信號，通過脈沖的數(shù)量可以計算人體的脈搏數(shù)。
BH1790GLC的基本工作原理圖
在戶外運(yùn)動時，太陽光譜非常復(fù)雜，除了可見光之外還有紫外光和紅外光。其中，紅外光是可以穿透人體的，在戶外檢測時，即使人體是緊貼著芯片，紅外線還是可以穿過手指讓芯片檢測到，這樣就會疊加上一個噪聲，疊加上噪聲就會使得計數(shù)不準(zhǔn)確。為了解決這個問題，ROHM采用了專門的紅外線去除措施。BH1790GLC的外面加了兩層濾光片，一個是紅外濾光片，一個是彩色濾光片。紅外濾光片首先可以把外界的紅外光全部過濾掉。彩色濾光片可以將可見光當(dāng)中除了綠光的部分全部過濾掉，只讓綠光通過，這樣就更加突出了綠光，從而達(dá)到高精度的檢測。如下圖所示，最終檢測到的脈搏信號與一般性的產(chǎn)品波形相比清晰很多。
脈搏傳感器采用濾光片提高采集脈沖信號
干擾光噪音環(huán)境下的脈波信號比較
由于用戶佩戴著運(yùn)動手表或者手環(huán)在戶外運(yùn)動時，會跟人體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，因此測量過程中會產(chǎn)生一些噪音，ROHM針對這些情況專門開發(fā)了一個脈搏計算算法。它利用Kionix的加速度傳感器與脈搏傳感器同時采集信號，最后通過快速傅里葉變換，在頻域中找出跟加速度傳感器信號頻率一致的脈搏噪音，把它去除掉，最終還原出純粹的脈搏信號。數(shù)據(jù)對比可以看出，采用了這個算法之后，測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測試儀器的測試結(jié)果非常吻合。
傳感器的融合方案：極大降低功耗
對于可穿戴設(shè)備來說，最讓用戶頭疼的就是設(shè)備待機(jī)時間短的問題，如果像手機(jī)一樣每天都要充電數(shù)次，想必大部分用戶會為之抓狂?？纱┐髟O(shè)備講究抓住用戶痛點，精簡設(shè)備功能。這背后和設(shè)備待機(jī)時間有著莫大的關(guān)系，如果功能太多，耗電自然很快，因此大部分可穿戴設(shè)備功能都很簡單。為了幫助用戶設(shè)備降低功耗，ROHM提出了“傳感器的融合方案”，ROHM半導(dǎo)體設(shè)計中心高級工程師孫彬介紹，“通常許多傳感器需要主芯片去進(jìn)行頻繁地驅(qū)動才能工作，這樣會給主芯片帶來相當(dāng)一部分負(fù)擔(dān)，我們采用了專門的低功耗的傳感器微控制器，把傳感器的驅(qū)動工作從主芯片分離出來，進(jìn)行單獨(dú)控制和數(shù)據(jù)處理。這樣可以減少數(shù)據(jù)的傳輸量，還可以有效的降低整體的功耗。”
脈搏傳感器BH1790GLC演示道具 現(xiàn)場演示
脈搏傳感器的功耗主要來源于兩個方面：一個是LED的驅(qū)動電流，一個是芯片內(nèi)部的功耗。正如剛才所說，BH1790GLC可以實現(xiàn)高精度檢測，因此驅(qū)動LED燈的電流不需要很強(qiáng)，就可以檢測到高質(zhì)量的信號，這樣就實現(xiàn)了電流消耗的削減。同時，在內(nèi)部也是優(yōu)化了電路構(gòu)造，放大器采用了電容式的積分放大器代替了傳統(tǒng)的跨阻式的放大器，電流消耗得到進(jìn)一步的削減。
因此，BH1790GLC利用ROHM多年積累的光傳感器開發(fā)經(jīng)驗和獨(dú)有的模擬電路技術(shù)優(yōu)勢，即使在LED亮度較低的條件下，也可準(zhǔn)確感知脈搏，功耗比以往產(chǎn)品降低約74%。實現(xiàn)業(yè)界最小級別的低功耗，有助于延長可穿戴式設(shè)備的電池壽命。