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，由于缺乏運動身體素質變得越來越差。隨著人們健康意識的提高，運動變成一種時尚，因此，可穿戴設備也越來越受歡迎，從各種手環(huán)等運動監(jiān)測設備的熱賣可以看出。但是，目前手環(huán)的測量準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，最近ROHM推出了一款采用光學濾光片結構的脈搏傳感器BH1790GLC，可以提高測量精準度，降低設備功耗。

濾光片+獨特的算法，實現醫(yī)療級別的測量精度

如果測量足夠準確，前文中手環(huán)的計步結果就不會出現測量不準的笑話了。為了實現更高的測量精度，BH1790GLC內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到人體的血管之后進行散射回來檢測的一個結果。人體心臟在收縮與舒張的過程當中，血管中的血流會發(fā)生體積變化，當血流變多時，反射回來的綠光強度就會變小，血流變少時綠光強度就會變大，最終出現的就是一個脈沖的信號，通過脈沖的數量可以計算人體的脈搏數。

BH1790GLC的基本工作原理圖

在戶外運動時，太陽光譜非常復雜，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不準確。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

由于用戶佩戴著運動手表或者手環(huán)在戶外運動時，會跟人體之間產生相對運動，因此測量過程中會產生一些噪音，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。數據對比可以看出，采用了這個算法之后，測試結果與標準測試儀器的測試結果非常吻合。

傳感器的融合方案：極大降低功耗

對于可穿戴設備來說，最讓用戶頭疼的就是設備待機時間短的問題，如果像手機一樣每天都要充電數次，想必大部分用戶會為之抓狂?？纱┐髟O備講究抓住用戶痛點，精簡設備功能。這背后和設備待機時間有著莫大的關系，如果功能太多，耗電自然很快，因此大部分可穿戴設備功能都很簡單。為了幫助用戶設備降低功耗，ROHM提出了“傳感器的融合方案”，ROHM半導體設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行頻繁地驅動才能工作，這樣會給主芯片帶來相當一部分負擔，我們采用了專門的低功耗的傳感器微控制器，把傳感器的驅動工作從主芯片分離出來，進行單獨控制和數據處理。這樣可以減少數據的傳輸量，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的驅動電流，一個是芯片內部的功耗。正如剛才所說，BH1790GLC可以實現高精度檢測，因此驅動LED燈的電流不需要很強，就可以檢測到高質量的信號，這樣就實現了電流消耗的削減。同時，在內部也是優(yōu)化了電路構造，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，電流消耗得到進一步的削減。

因此，BH1790GLC利用ROHM多年積累的光傳感器開發(fā)經驗和獨有的模擬電路技術優(yōu)勢，即使在LED亮度較低的條件下，也可準確感知脈搏，功耗比以往產品降低約74%。實現業(yè)界最小級別的低功耗，有助于延長可穿戴式設備的電池壽命。