工程師周亮 發表於 2018-09-05 09:44:33
拋開時尚的外殼
智能手錶本質上是一個依賴各種傳感器的產品
監測睡眠、監測心率、運動提醒、GPS定位……
由傳感器開啟的這些新應用將手錶帶入一個新的時代
智能手錶中都用到哪些傳感器與相關模塊呢
今天就來盤點下
生命體徵傳感器如何實現血壓監測呢？
以集成式生命體徵傳感器參考設計AS7024為例進行 簡要說明。AS7024 HRM操作以光電容積脈搏波描記法（PPG）為基礎，通過由血管調整的採樣光來測量脈搏率，當血液脈衝通過時，血管會擴張和收縮。採用了與合作夥伴共同合作開發的專有軟體，能夠分析並同步心率測量（HRM）和心電圖（ECG）測量以計算血壓。
不得不承認，加入了AS7024的可穿戴設備，幫助用戶實現準確無誤的健康追蹤，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、智能手錶、運動手錶及智能貼片。同時它還為更廣泛尺寸的生命體徵監測與汽車或個人健康監測等終端市場，開啟了大門。
AS7024 HRM操作以光電容積脈搏波描記法（PPG）為基礎，通過由血管調整的採樣光來測量脈搏率，當血液脈衝通過時，血管會擴張和收縮，這項技術是經過驗證的。心電圖是測量心臟竇房結生成的電子脈衝的標準方法。
AS7024參考設計採用了與合作夥伴共同合作開發的專有軟體，能夠分析並同步HRM和ECG測量以計算血壓。根據IEEE可穿戴無袖帶設備標準，AS7024已經通過奧地利格拉茨醫科大學執行的臨床試驗驗證，可以提供精確的血壓測量。
參考設計生成的結果也被拿來與採用手術級袖帶式血壓測量儀器所取得的參考測量進行了比較。在100多名18-65歲受試者合計進行的1，000多次測量中驗證了，AS7024參考設計能夠精確至收縮壓《± 7.5 mmHg，舒張壓《± 5.5 mmHg。
環境光線傳感器目前被廣泛用於許多LCD顯示應用，從消費電子到汽車應用，通過自動調節顯示器亮度，它們能夠幫助節約設備電池電量。此外，這些傳感器在自然日光、螢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品發布，而且它們都有一個共同的特性，即這些新開發的環境光線傳感器能夠匹配人眼的要求，這對於緩解眼睛疲勞非常重要。
環境光傳感器可以感知周圍光線情況，並告知處理晶片自動調節顯示器背光亮度，降低產品的功耗。例如，在手機、筆記本、平板電腦等移動應用中，顯示器消耗的電量高達電池總電量的30%，採用環境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時間。另一方面，環境光傳感器有助於顯示器提供柔和的畫面。當環境亮度較高時，使用環境光傳感器的液晶顯示器會自動調成高亮度。當外界環境較暗時，顯示器就會調成低亮度。。
環境光傳感系統實現需要三大部分：監測環境光強的光傳感器、數據處理裝置（通常是微控制器）、控制背光輸入電流的執行器。
圖1是實施背光控制的系統示範框圖。在這套組合中，光傳感器是關鍵的組成部分，因為它要向系統的其他模塊提供環境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉換成電信號的信號轉換器（譬如光電二極體或CdS光敏電阻）和信號放大和/或調節裝置以及模/數轉換器（ADC）。
圖1. 實施背光控制的系統框圖
圖2所示為分立光電二極體電路，從圖中可以看出，該電路需要一個或多個運算放大器：一個用於電流到電壓的轉換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用於供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應用中，所需元件的數量過多可能導致空間受限問題。
圖2. 光電二極體電路分立設計
這裡還存在一個更細微的問題。具體而言，理想情況下，應確保環境光的測量模擬了人眼對光線的響應機制。這通常藉助CIE提供的視覺亮度曲線（圖3）。然而，光電二極體很少能夠完全模擬這種響應機制，因為它們通常具有很高的紅外（IR）靈敏度。在IR強度較大的光照條件（譬如白熾燈或日光）下，這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強度。
圖3. CIE曲線和典型的光電二極體
解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極體：一個採用對可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個採用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應值減去後者的響應值，將紅外幹擾降至最小，獲得準確的可見光響應。
智能手錶的顯示屏能根據不同的室內外光照強度來自動調節屏幕亮度，最大功臣非環境光傳感器莫屬。ams的環境光傳感器TSL2584TSV，1.145mm x 1.66mm x 0.32mm，這款產品代表了當年全球環境光傳感器的最優水平。
在顯示屏管理應用中，利用環境光傳感器來自動控制背景光亮度，能夠在確保最佳用戶體驗的同時延長電池壽命。TSL2584TSV具有兩大亮點，一是利用先進的TSV封裝技術，極大的提升了器件的可靠性。它具有極強的適光響應性，即使位於深色玻璃背後，也能夠精確測量光照強度。二是採用先進的晶圓製程技術和精確安裝的幹涉濾光器，幫助實現了環境光傳感器的卓越性能。
電池充電最重要的就是這三步：
第一步：判斷電壓《3V，要先進行預充電，0.05C電流；
第二步：判斷 3V《電壓《4.2V，恆流充電0.2C~1C電流；
第三步：判斷電壓》4.2V，恆壓充電，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，應先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低於3V，要先進行預充電，充電電流為設定電流 的1/10，一般選0.05C左右。電壓升到3V後，進入標準充電過程。標準充電過程為：以設定電流進行恆流充電，電池電壓升到4.20V時，改為恆壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時，充電結束。
一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。
術語解釋：充放電電流一般用C作參照，C是對應電池容量的數值。電池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的電池容量1200mAh，對應的C就是1200mA。0.2C就等於240mA。
下面是鋰電池典型充電曲線圖：
鋰電池放電只需要注意很少的幾點：
1、放電電流不能過大， 過大的電流導致電池內部發熱，有可能會造成永久性的損害；
2、絕對不能過放電！鋰電池最怕過放電，一旦放電 電壓低於2.7V，將可能導致電池報廢。
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荷工作後，減少負荷會出現電壓回升現象，就是所說的「回電」現象。
給個圖看看，這個放電曲線圖在放電過程中停了一下，出現了「回電」。
AS3701的電源輸出包含兩個200mA低壓差線性穩壓器（LDO），一個500mA降壓直流-直流轉換器，以及兩個40mA（最大值）可編程電流阱。同步降壓轉換器的開關頻率高達4M Hz因此只需一個小型感應器和一個10μF輸出電容。
微型PMIC的集成鋰電池充電器能夠在涓流、恆流、恆壓模式下運作，並提供最大值為500mA的充電電流。電源通路管理功能使設備在電池耗盡的情況下插入充電器時能立刻開啟設備，並對電池充電電路和系統供電電路的電源分配進行優化。
許多應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，可用於在待機模式下實現電源的啟動/關閉、PWM輸入和輸出，以及中斷與控制任務。
設計者能夠通過OTP（一次可編程存儲器）來靈活地實現不同處理器或不同應用所需的上電時序。這意味著OEM廠商能夠在多種終端產品設計中使用相同的電源解決方案，有效簡化設計開發及整合過程。
該器件同時集成電池溫度監測、上電復位、過電流保護功能，可確保運行的可靠性和安全性。
AS3701融合了ams多年設計和製造小型高效電源電路的豐富經驗，是如今最先進的小型化電源電路，非常適合空間緊湊的可穿戴式設備，能有效延長設備的電池壽命。
對於一塊智能手錶來說，長續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、恆流、恆壓模式下運作，並提供最大值為500mA的充電電流。電源通路管理功能使設備在電池耗盡的情況下插入充電器時能立刻開啟設備，並對電池充電電路和系統供電電路的電源分配進行優化。這款產品堪稱長續航電源管理模塊中的戰鬥機，自發布以來一直風靡可穿戴界。
增強型NFC技術的近場通信模擬前端AS3921採用主動負載調製：它產生一個與讀卡器磁場同步的RFID卡響應。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負載調製（PLM）小了一個數量級。相比傳統NFC的使用，該解決方案可提高NFC讀卡器可用工作場多達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、地鐵驗票閘門還是其他包含NFC讀卡器設備之間更可靠的連接，AS3921都可以演繹的得心應手。
能夠檢測溫度、溼度的穿戴式設備，還是很炫酷的功能。
ENS210可在0°C到70°C的範圍內提供精確度最高達±0.2°C的開爾文數字溫度輸出。它還能測量相對溼度，並以數字形式輸出，精確度最高為±3.5%。產品在送達客戶手中時已經經過校準，因此傳感器無需再在生產線上進行調整。產品通過一個I2C接口提供數字輸出，無需主設備的應用程式處理器或微控制器進行信號處理。
ENS210在待機模式下只消耗40nA的電流，在主動測量模式下電流消耗為7.1μA（1Hz下取樣），因此只消耗手持和可攜式產品電池的極少能量。產品可在寬輸入電壓範圍1.71-3.6V下工作，意味著配備1.8V/3.3V雙電壓供電的系統無需在載荷點增加額外的電平調節電源。
當用於可穿戴設備時，ENS210的相對溼度和環境溫度讀數有助於提高對環境條件依賴性極高的身體運動測量的精確性和可靠性。它也可以為溫度調節器以及諸如空調和淨化系統、冰箱、乾衣機、微波爐、廚房抽氣機和天氣監測裝置等互聯家用電器提供精巧的自動化操作或性能提升功能。
相對溼度和溫度傳感器ENS210 可在0°C到70°C的範圍內提供精確度最高達±0.2°C的開爾文數字溫度輸出。它還能測量相對溼度，並以數字形式輸出，精確度最高為±3.5%。
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