雙濾光片的ROHM脈搏傳感器

對(duì)城市里生活的人們來說，繁忙是主體旋律，由于缺乏運(yùn)動(dòng)身體素質(zhì)變得越來越差。隨著人們健康意識(shí)的提高，運(yùn)動(dòng)變成一種時(shí)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(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的熱賣可以看出。但是，目前手環(huán)的測(cè)量準(zhǔn)確度還存在很多問題。很多人可能聽過這樣一個(gè)笑話：有人佩戴手環(huán)刷一次牙計(jì)步器就會(huì)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(cè)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(cè)量精準(zhǔn)度，降低設(shè)備功耗。

濾光片+獨(dú)特的算法，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療級(jí)別的測(cè)量精度

如果測(cè)量足夠準(zhǔn)確，前文中手環(huán)的計(jì)步結(jié)果就不會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)的笑話了。為了實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)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(gè)模塊包括兩個(gè)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(cè)的一個(gè)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(huì)發(fā)生體積變化，當(dāng)血流變多時(shí)，反射回來的綠光強(qiáng)度就會(huì)變小，血流變少時(shí)綠光強(qiáng)度就會(huì)變大，最終出現(xiàn)的就是一個(gè)脈沖的信號(hào)，通過脈沖的數(shù)量可以計(jì)算人體的脈搏數(shù)。

BH1790GLC的基本工作原理圖

在戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)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(cè)時(shí)，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(cè)到，這樣就會(huì)疊加上一個(gè)噪聲，疊加上噪聲就會(huì)使得計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。為了解決這個(gè)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(gè)是紅外濾光片，一個(gè)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(cè)。如下圖所示，最終檢測(cè)到的脈搏信號(hào)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(hào)

干擾光噪音環(huán)境下的脈波信號(hào)比較

由于用戶佩戴著運(yùn)動(dòng)手表或者手環(huán)在戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)跟人體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此測(cè)量過程中會(huì)產(chǎn)生一些噪音，ROHM針對(duì)這些情況專門開發(fā)了一個(gè)脈搏計(jì)算算法。它利用Kionix的加速度傳感器與脈搏傳感器同時(shí)采集信號(hào)，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(hào)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(hào)。數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，采用了這個(gè)算法之后，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器的測(cè)試結(jié)果非常吻合。

傳感器的融合方案：極大降低功耗

對(duì)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(shí)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(huì)為之抓狂。可穿戴設(shè)備講究抓住用戶痛點(diǎn)，精簡(jiǎn)設(shè)備功能。這背后和設(shè)備待機(jī)時(shí)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(jiǎn)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(jì)中心高級(jí)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(dòng)才能工作，這樣會(huì)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(dòng)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?！?/p>

脈搏傳感器BH1790GLC演示道具 現(xiàn)場(chǎng)演示

脈搏傳感器的功耗主要來源于兩個(gè)方面：一個(gè)是LED的驅(qū)動(dòng)電流，一個(gè)是芯片內(nèi)部的功耗。正如剛才所說，BH1790GLC可以實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)，因此驅(qū)動(dòng)LED燈的電流不需要很強(qiáng)，就可以檢測(cè)到高質(zhì)量的信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了電流消耗的削減。同時(shí)，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(yàn)和獨(dú)有的模擬電路技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)業(yè)界最小級(jí)別的低功耗，有助于延長(zhǎng)可穿戴式設(shè)備的電池壽命。