双滤光片的ROHM脉搏传感器

2017-05-15 admin1
对城市里生活的人们来说,繁忙是主体旋律,由于缺乏运动身体素质变得越来越差。随着人们健康意识的提高,运动变成一种时尚,因此,可穿戴设备也越来越受欢迎,从各种手环等运动监测设备的热卖可以看出。但是,目前手环的测量准确度还存在很多问题。很多人可能听过这样一个笑话:有人佩戴手环刷一次牙计步器就会增加好几百,如此算来每天多刷几次牙就完成跑步任务了。因此,不断提高测量精度成为很多传感器厂商的重要任务,最近ROHM推出了一款采用光学滤光片结构的脉搏传感器BH1790GLC,可以提高测量精准度,降低设备功耗。
 
滤光片+独特的算法,实现医疗级别的测量精度
如果测量足够准确,前文中手环的计步结果就不会出现测量不准的笑话了。为了实现更高的测量精度,BH1790GLC内置了红外滤光片以及彩色滤光片。滤光片的作用是什么?我们不妨先看看脉搏传感器的工作原理,整个模块包括两个部分:一部分是绿色的LED的发射,右边是芯片的接收,主要利用的是绿光达到人体的血管之后进行散射回来检测的一个结果。人体心脏在收缩与舒张的过程当中,血管中的血流会发生体积变化,当血流变多时,反射回来的绿光强度就会变小,血流变少时绿光强度就会变大,最终出现的就是一个脉冲的信号,通过脉冲的数量可以计算人体的脉搏数。
 
深圳市激埃特光电有限公司
BH1790GLC的基本工作原理图
 
在户外运动时,太阳光谱非常复杂,除了可见光之外还有紫外光和红外光。其中,红外光是可以穿透人体的,在户外检测时,即使人体是紧贴着芯片,红外线还是可以穿过手指让芯片检测到,这样就会叠加上一个噪声,叠加上噪声就会使得计数不准确。为了解决这个问题,ROHM采用了专门的红外线去除措施。BH1790GLC的外面加了两层滤光片,一个是红外滤光片,一个是彩色滤光片。红外滤光片首先可以把外界的红外光全部过滤掉。彩色滤光片可以将可见光当中除了绿光的部分全部过滤掉,只让绿光通过,这样就更加突出了绿光,从而达到高精度的检测。如下图所示,最终检测到的脉搏信号与一般性的产品波形相比清晰很多。
 
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脉搏传感器采用滤光片提高采集脉冲信号
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干扰光噪音环境下的脉波信号比较
 
由于用户佩戴着运动手表或者手环在户外运动时,会跟人体之间产生相对运动,因此测量过程中会产生一些噪音,ROHM针对这些情况专门开发了一个脉搏计算算法。它利用Kionix的加速度传感器与脉搏传感器同时采集信号,最后通过快速傅里叶变换,在频域中找出跟加速度传感器信号频率一致的脉搏噪音,把它去除掉,最终还原出纯粹的脉搏信号。数据对比可以看出,采用了这个算法之后,测试结果与标准测试仪器的测试结果非常吻合。
 
传感器的融合方案:极大降低功耗
对于可穿戴设备来说,最让用户头疼的就是设备待机时间短的问题,如果像手机一样每天都要充电数次,想必大部分用户会为之抓狂。可穿戴设备讲究抓住用户痛点,精简设备功能。这背后和设备待机时间有着莫大的关系,如果功能太多,耗电自然很快,因此大部分可穿戴设备功能都很简单。为了帮助用户设备降低功耗,ROHM提出了“传感器的融合方案”,ROHM半导体设计中心高级工程师孙彬介绍,“通常许多传感器需要主芯片去进行频繁地驱动才能工作,这样会给主芯片带来相当一部分负担,我们采用了专门的低功耗的传感器微控制器,把传感器的驱动工作从主芯片分离出来,进行单独控制和数据处理。这样可以减少数据的传输量,还可以有效的降低整体的功耗。”
 
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脉搏传感器“BH1790GLC”演示道具 现场演示
 
脉搏传感器的功耗主要来源于两个方面:一个是LED的驱动电流,一个是芯片内部的功耗。正如刚才所说,BH1790GLC可以实现高精度检测,因此驱动LED灯的电流不需要很强,就可以检测到高质量的信号,这样就实现了电流消耗的削减。同时,在内部也是优化了电路构造,放大器采用了电容式的积分放大器代替了传统的跨阻式的放大器,电流消耗得到进一步的削减。
 
因此,BH1790GLC利用ROHM多年积累的光传感器开发经验和独有的模拟电路技术优势,即使在LED亮度较低的条件下,也可准确感知脉搏,功耗比以往产品降低约74%。实现业界最小级别的低功耗,有助于延长可穿戴式设备的电池寿命。