智能手表中的传感器与相关模块原理分析

抛开时尚的外壳

智能手表本质上是一个依赖各种传感器的产品

监测睡眠、监测心率、运动提醒、GPS定位……

由传感器开启的这些新应用将手表带入一个新的时代

智能手表中都用到哪些传感器与相关模块呢

今天就来盘点下

适用于血压监测的生命体征传感器

生命体征传感器如何实现血压监测呢？

以集成式生命体征传感器参考设计AS7024为例进行 简要说明。AS7024 HRM操作以光电容积脉搏波描记法（PPG）为基础，通过由血管调整的采样光来测量脉搏率，当血液脉冲通过时，血管会扩张和收缩。采用了与合作伙伴共同合作开发的专有软件，能够分析并同步心率测量（HRM）和心电图（ECG）测量以计算血压。

不得不承认，加入了AS7024的可穿戴设备，帮助用户实现准确无误的健康追踪，bigger提升了很。

AS7024外形小巧，特别适合电路板空间有限的健身腕带、智能手表、运动手表及智能贴片。同时它还为更广泛尺寸的生命体征监测与汽车或个人健康监测等终端市场，开启了大门。

AS7024 HRM操作以光电容积脉搏波描记法（PPG）为基础，通过由血管调整的采样光来测量脉搏率，当血液脉冲通过时，血管会扩张和收缩，这项技术是经过验证的。心电图是测量心脏窦房结生成的电子脉冲的标准方法。

AS7024参考设计采用了与合作伙伴共同合作开发的专有软件，能够分析并同步HRM和ECG测量以计算血压。根据IEEE可穿戴无袖带设备标准，AS7024已经通过奥地利格拉茨医科大学执行的临床试验验证，可以提供精确的血压测量。

参考设计生成的结果也被拿来与采用手术级袖带式血压测量仪器所取得的参考测量进行了比较。在100多名18-65岁受试者合计进行的1，000多次测量中验证了，AS7024参考设计能够精确至收缩压《± 7.5 mmHg，舒张压《± 5.5 mmHg。

环境光传感器帮助实现最佳显示效果

环境光线传感器目前被广泛用于许多LCD显示应用，从消费电子到汽车应用，通过自动调节显示器亮度，它们能够帮助节约设备电池电量。此外，这些传感器在自然日光、荧光和白炽灯等各种光源下都能够出色工作。最近有很多这样的产品发布，而且它们都有一个共同的特性，即这些新开发的环境光线传感器能够匹配人眼的要求，这对于缓解眼睛疲劳非常重要。

环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。。

环境光传感器技术原理

环境光传感系统实现需要三大部分：监测环境光强的光传感器、数据处理装置（通常是微控制器）、控制背光输入电流的执行器。

图1是实施背光控制的系统示范框图。在这套组合中，光传感器是关键的组成部分，因为它要向系统的其他模块提供环境光强信息。光传感器必须具备将光信号转换成电信号的信号转换器（譬如光电二极管或CdS光敏电阻）和信号放大和/或调节装置以及模/数转换器（ADC）。

图1. 实施背光控制的系统框图

图2所示为分立光电二极管电路，从图中可以看出，该电路需要一个或多个运算放大器：一个用于电流到电压的转换，可能还需要一级放大，提供附加增益。它还包括一些分支电路，用于供电，确保高度可靠的信号链。而在空间极其宝贵的应用中，所需元件的数量过多可能导致空间受限问题。

图2. 光电二极管电路分立设计

这里还存在一个更细微的问题。具体而言，理想情况下，应确保环境光的测量模拟了人眼对光线的响应机制。这通常借助CIE提供的视觉亮度曲线（图3）。然而，光电二极管很少能够完全模拟这种响应机制，因为它们通常具有很高的红外（IR）灵敏度。在IR强度较大的光照条件（譬如白炽灯或日光）下，这种红外灵敏度会造成错误地判断光线强度。

图3. CIE曲线和典型的光电二极管

解决上述问题的方法之一是使用两个光电二极管：一个采用对可见光和红外光都很敏感的元件，另一个采用只对红外光敏感的元件。最终用前者的响应值减去后者的响应值，将红外干扰降至最小，获得准确的可见光响应。

智能手表的显示屏能根据不同的室内外光照强度来自动调节屏幕亮度，最大功臣非环境光传感器莫属。ams的环境光传感器TSL2584TSV，1.145mm x 1.66mm x 0.32mm，这款产品代表了当年全球环境光传感器的最优水平。

在显示屏管理应用中，利用环境光传感器来自动控制背景光亮度，能够在确保最佳用户体验的同时延长电池寿命。TSL2584TSV具有两大亮点，一是利用先进的TSV封装技术，极大的提升了器件的可靠性。它具有极强的适光响应性，即使位于深色玻璃背后，也能够精确测量光照强度。二是采用先进的晶圆制程技术和精确安装的干涉滤光器，帮助实现了环境光传感器的卓越性能。

超长续航就靠这个集成电源管理模块了

电池充电最重要的就是这三步：

第一步：判断电压《3V，要先进行预充电，0.05C电流；

第二步：判断 3V《电压《4.2V，恒流充电0.2C~1C电流；

第三步：判断电压》4.2V，恒压充电，电压为4.20V，电流随电压的增加而减少，直到充满。

充电开始时，应先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流 的1/10，一般选0.05C左右。电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

术语解释：充放电电流一般用C作参照，C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的电池容量1200mAh，对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

下面是锂电池典型充电曲线图：

三、锂电池的放电，对电池来说，正常使用就是放电过程

锂电池放电只需要注意很少的几点：

1、放电电流不能过大， 过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害；

2、绝对不能过放电！锂电池最怕过放电，一旦放电 电压低于2.7V，将可能导致电池报废。

下面是一般锂电池的典型放电曲线图：

从典型放电曲线图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。

所以，一般情况下电池大负荷工作后，减少负荷会出现电压回升现象，就是所说的“回电”现象。

给个图看看，这个放电曲线图在放电过程中停了一下，出现了“回电”。

AS3701的电源输出包含两个200mA低压差线性稳压器（LDO），一个500mA降压直流-直流转换器，以及两个40mA（最大值）可编程电流阱。同步降压转换器的开关频率高达4M Hz因此只需一个小型感应器和一个10μF输出电容。

微型PMIC的集成锂电池充电器能够在涓流、恒流、恒压模式下运作，并提供最大值为500mA的充电电流。电源通路管理功能使设备在电池耗尽的情况下插入充电器时能立刻开启设备，并对电池充电电路和系统供电电路的电源分配进行优化。

许多应用可通过主处理器或微控制器的I2C接口来配置AS3701。该器件还包含了多功能I/O接口，可用于在待机模式下实现电源的启动/关闭、PWM输入和输出，以及中断与控制任务。

设计者能够通过OTP（一次可编程存储器）来灵活地实现不同处理器或不同应用所需的上电时序。这意味着OEM厂商能够在多种终端产品设计中使用相同的电源解决方案，有效简化设计开发及整合过程。

该器件同时集成电池温度监测、上电复位、过电流保护功能，可确保运行的可靠性和安全性。

AS3701融合了ams多年设计和制造小型高效电源电路的丰富经验，是如今最先进的小型化电源电路，非常适合空间紧凑的可穿戴式设备，能有效延长设备的电池寿命。

对于一块智能手表来说，长续航的重要性不言而喻。集成电源管理单元AS3701的集成锂电池充电器能够在涓流、恒流、恒压模式下运作，并提供最大值为500mA的充电电流。电源通路管理功能使设备在电池耗尽的情况下插入充电器时能立刻开启设备，并对电池充电电路和系统供电电路的电源分配进行优化。这款产品堪称长续航电源管理模块中的战斗机，自发布以来一直风靡可穿戴界。

NFC技术推动非接触式支付发展

增强型NFC技术的近场通信模拟前端AS3921采用主动负载调制：它产生一个与读卡器磁场同步的RFID卡响应。这使卡片-读卡器通讯的耦合因素比非接触式卡片使用的被动负载调制（PLM）小了一个数量级。相比传统NFC的使用，该解决方案可提高NFC读卡器可用工作场多达900%。这极大提升了NFC交易的可靠性和感知速度，不管是支付终端、地铁验票闸门还是其他包含NFC读卡器设备之间更可靠的连接，AS3921都可以演绎的得心应手。

超高精度温湿度监测

能够检测温度、湿度的穿戴式设备，还是很炫酷的功能。

ENS210可在0°C到70°C的范围内提供精确度最高达±0.2°C的开尔文数字温度输出。它还能测量相对湿度，并以数字形式输出，精确度最高为±3.5%。产品在送达客户手中时已经经过校准，因此传感器无需再在生产线上进行调整。产品通过一个I2C接口提供数字输出，无需主设备的应用程序处理器或微控制器进行信号处理。

ENS210在待机模式下只消耗40nA的电流，在主动测量模式下电流消耗为7.1μA（1Hz下取样），因此只消耗手持和便携式产品电池的极少能量。产品可在宽输入电压范围1.71-3.6V下工作，意味着配备1.8V/3.3V双电压供电的系统无需在载荷点增加额外的电平调节电源。

当用于可穿戴设备时，ENS210的相对湿度和环境温度读数有助于提高对环境条件依赖性极高的身体运动测量的精确性和可靠性。它也可以为温度调节器以及诸如空调和净化系统、冰箱、干衣机、微波炉、厨房抽气机和天气监测装置等互联家用电器提供精巧的自动化操作或性能提升功能。

相对湿度和温度传感器ENS210 可在0°C到70°C的范围内提供精确度最高达±0.2°C的开尔文数字温度输出。它还能测量相对湿度，并以数字形式输出，精确度最高为±3.5%。