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UV紫外线指数传感器抢占可穿戴市场商机

随着苹果发布 iWatch 智能手表的脚步日益临近，有关iWatch猜测、爆料也越来越猛。例如，巴克莱分析师 Blayne Curtis日前就爆料：iWatch 将采用 Silicon Labs 公司的紫外线指数传感器芯片。而最近又有一系列文章预测，iWatch还将整合最少10种传感器......毫无疑问，传感器的应用已成为可穿戴市场关注的一大焦点。


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闫玮婧

2020-4-29 15:26:15
“Silicon Labs不仅推出了全球首款单芯片紫外线指数传感器，还提供各类高能效传感器，如温湿度、红外接近、环境光、手势感应等，能满足众多应用的需求，并且新产品还在不断推出。正如Silicon Labs一贯的产品性能特点，高性能、低功耗、小封装同样是这些混合信号智能传感器的最主要优势。” Silicon Labs核心代理商——世强资深技术主管廖华平表示。


图1. 世强代理的Silicon Labs传感器产品概览。

UV指数传感器为可穿戴设备提供差异化

在消费类电子产品中，对UV感测的需求正在上升，因为开发者打算通过提供保护人们免于UV伤害的这种新功能，来寻求在可穿戴和手持设备上的差异化设计。UV检测对于那些有晒伤危险或者对光照有疑虑的人们是有帮助的，例如：户外活动的终端用户在他们达到危险的暴露级别之前，带有UV传感器的产品可以为其测量累积的UV强度并且及时报警。

针对这一市场需求，Silicon Labs在今年2月份推出了适用于智能手机和可穿戴产品的单芯片数字紫外线(UV)指数传感器IC系列——Si11xx——紫外线指数、环境光和接近/手势传感器。设计旨在检测UV光照强度、心脏/脉搏速率、血氧饱和度，以及提供接近/手势控制等。

“Si1132是全球首款单芯片数字紫外线指数传感器，它集成环境光传感器，能自动调整显示来优化功耗并让人眼更舒服，同时可以跟加速计一起实现对人睡眠的跟踪。其在1Hz采样率下的功耗1.2uA ，具有超长电池寿命；集成光敏二极管、ADC和信号处理功能，简化了设计；通过I2C接口读取紫外线指数值；工厂校准提高产品的一致性；2×2毫米封装。以上这些特性使得Si1132成为智能可穿戴和保健应用的理想选择。” 廖华平指出。

此外，Silicon Labs还推出了Si1145/46/47 UV和IR接近/环境光传感器，根据型号提供单、双、三个LED驱动器集成选项，可为手势识别提供15级可选择的驱动等级。可应用于：心率和血氧测量、长距离接近检测、先进的2D和3D手势检测等。

Si1132和Si114x传感器在宽动态范围的光源（包括太阳光）下提供了优秀性能。其牢靠的传感架构也包括一个感应能力高达128kLux的环境光传感器。光电二极管响应和相关的数字转换电路为人造光闪烁噪声和自然光干扰噪声提供了优秀的抗干扰能力。

“Si1132和Si114x传感器IC非常适用于具有动作跟踪功能的腕带和臂带产品、智能手表和智能手机等应用。除了支持UV指数检测之外，这些器件也可为健康和健身方面的应用提供环境光和红外（IR）接近感测功能。LG就用Si114x做了心率测量的耳塞。”廖华平表示。

2x2mm封装、超低功耗解决可穿戴两大难题

尺寸一直都是可穿戴设计中的一个难题，分立器件封装占用大量空间，很难应用于可穿戴产品中。因为当人们在户外锻炼时手腕区域通常暴露于阳光下，因此运动手表和健康/健身腕带非常适合具有UV测量功能的应用。然而，由于需要在极小的“手腕”尺寸中集成先进数字信号处理和天线功能，这些可穿戴设备已经变得空间极度受限。

传统上，用于消费类的UV传感器采用分立式解决方案实现，通常由对UV频率范围敏感的光电二极管构成。在进入MCU处理之前，这些光电二极管产生的电流通过ADC进行数字化。光电二极管的灵敏度波动很大，消费类应用中的可靠性使用需要对其进行校准。这些分立式UV解决方案往往依赖于复合半导体，这使得它们很难与基于CMOS的信号调节和处理电路集成。

在硅基片上进行集成处理不仅节省空间而且可以改进UV测量本身。如果传感器IC不仅包含UV传感器也包含信号调节电路(例如运算放大器)和ADC，那么它就可以在工厂执行设备校准和编程，确保产品UV数据的一致性。如果一个MCU被集成到解决方案中去执行校准、数据读取、并以可用形式提供数据，那么这种能力将会进一步增强。

Silicon Labs首先将所有这些功能集成到单芯片解决方案中，在一个极小的2mmx2mm封装的单芯片IC中包含了UV指数传感器和数字处理电路。超小的2mm x 2mm封装有助于减小最终设计的尺寸并且降低物料清单(BOM)成本。廖华平强调：“UV指数传感器IC产品已经小到可以在典型的8.5英寸宽的页面中放置655颗这种传感器。”

延长电池寿命是可穿戴设计的另一个难题，Si11xx的超低功耗架构可帮助用户采用更小电池实现更薄的可穿戴式设计，在每秒一次的UV测量速率下平均电流低至1.2μA，待机电流更是小于500nA，有效的延长了电池寿命。

图2. 单芯片UV指数传感器IC架构示例。

在功耗显著低于同类产品条件下，传感器也提供了更大的灵敏度和感应距离。凭着单一的25.6μs红外光LED工作时间，高灵敏度的IR传感器能够在移动感应和手势识别应用中明显延长电池寿命，同时保持长达50cm的感应距离。此外，LED电流动态调整也进一步降低了系统功耗。


图3.  Si114x超低功耗特性

如下图4所示，为Si114x与同类竞争产品的性能比较，图中的绿色部分指标体现了其优势所在。

图4. Si114x 拥有最好的接近检测性能和最低的功耗。

在手势感应和接近感应中的应用优势

Si114x 拥有最好的接近检测性能和最低的功耗，最多集成了3个LED驱动器，而竞争产品一般只集成了1个LED驱动器。这使得Si114x能够用于开发手势识别接口，这对于可穿戴系统来讲，正变得日益重要。当LED和相应的传感器放到皮肤上时，LED驱动器也能够用于心率和脉搏测量。

Si114x传感器的LED驱动器能够为健康和健身跟踪器提供反射式心率和血氧饱和度测量功能，非接触式接口支持终端用户远距离控制。Si1146和Si1147传感器分别提供两个和三个红外LED驱动器，支持高级运动和手势感应。Si1146可以实现Z轴和X轴运动感应和非接触式控制，而Si1147添加了第三轴，可以实现三维运动感应。两个传感器提供的反射测量能够进行后处理，以进一步判别手势。


图5. Si114x在手势应用中的优势


图6. Silicon Labs在接近应用中的优势

除了UV测量之外，环境光线感应器可轻松整合其它保健功能。例如，整天都会佩戴的可穿戴设备中的环境光传感器，当天黑时可以告知主机MCU，指示佩戴者可能处于睡眠中。可穿戴系统中的加速计读数能够指示晚间睡眠模式是否受到干扰。环境光传感器也能够基于摄入的可见光强度调整显示亮度，从而有助于改善可穿戴产品的用户界面和电池寿命。

UVIrSlider2EK评估板——简化设计

Silicon Labs为可穿戴开发人员提供完整的硬件和软件工具，以帮助用户简化测试、功能特性、原型设计和软件开发。UVIrSlider2EK UV/IR评估套件为Silicon Labs的光学传感器提供了一个高级的开发平台。在超低功耗C8051F800单片机的控制下，UVIrSlider2EK将Si1146传感器连接到两个红外光LED，实现UV指数测量、高级2D/2轴非接触式手势识别和物体接近检测。


图7. UVIrSlider2EK评估板——简化设计

IrSlider2EK预先配置了固件，即通过五个LED灯显示了用户目前所处环境的UV强度指数。辅助演示软件提供了一个可以显示完整的UV指数数据的GUI界面，也提供了一个IR滑动条演示，并且这个演示可以通过8个可见的LED示范左/右/悬停等手势识别功能。此外，Silicon Labs还为环境光、近距离和手势识别的逻辑算法提供了示例软件源代码。

“为了更好的推广，世强还提供很多更好的演示系统，那些演示系统可以免费提供给工程师做评估和应用，而且资料是免费开放给大家的。” 廖华平特别强调。

本文小结

可穿戴式设计需要更高集成度、小尺寸封装和低功耗的传感解决方案，我们也可预见对于业界首款单芯片数字UV指数传感器的需求，该传感器还提供了环境光和IR感应功能，非常适用于创新的健康和健身应用。而世强与Silicon Labs携手，致力于将优秀的UV指数传感器及各种高性能功耗比的传感器带给广大中国用户。世强同时还提供节能型MCU、无线MCU和收发器、以及其他各类传感器，这些产品可以有效地整合进系统解决方案，满足快速增长的可穿戴市场需求。
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