來源:世強
隨著蘋果發佈 iWatch 智慧手錶的腳步日益臨近，有關iWatch猜測、爆料也越來越猛。例如，巴克萊分析師 Blayne Curtis日前就爆料：iWatch 將採用 Silicon Labs 公司的紫外線指數感測器晶片。而最近又有一系列文章預測，iWatch還將整合最少10種感測器......毫無疑問，感測器的應用已成為可穿戴市場關注的一大焦點。
“Silicon Labs不僅推出了全球首款單晶片紫外線指數感測器，還提供各類高能效感測器，如溫濕度、紅外接近、環境光、手勢感應等，能滿足眾多應用的需求，並且新產品還在不斷推出。正如Silicon Labs一貫的產品性能特點，高性能、低功耗、小封裝同樣是這些混合信號智慧感測器的最主要優勢。” Silicon Labs核心代理商——世強資深技術主管廖華平表示。
圖1. 世強代理的Silicon Labs感測器產品概覽。
UV指數感測器為可穿戴設備提供差異化
在消費類電子產品中，對UV感測的需求正在上升，因為開發者打算通過提供保護人們免於UV傷害的這種新功能，來尋求在可穿戴和手持設備上的差異化設計。UV檢測對於那些有曬傷危險，或者對光照有疑慮的人們是有幫助的，例如：戶外活動的終端使用者，在他們達到危險的暴露級別之前，帶有UV感測器的產品，可以為其測量累積的UV強度，並且及時報警。
針對這一市場需求，Silicon Labs在今年2月份，推出了適用於智慧手機和可穿戴產品的單晶片，數位紫外線(UV)指數感測器IC系列——Si11xx——紫外線指數、環境光和接近/手勢感測器。設計旨在檢測UV光照強度、心臟/脈搏速率、血氧飽和度，以及提供接近/手勢控制等。
“Si1132是全球首款單晶片數位紫外線指數感測器，它集成環境光感測器，能自動調整顯示，來優化功耗並讓人眼更舒服，同時可以跟加速計一起實現對人睡眠的跟蹤。其在1Hz取樣速率下的功耗1.2uA ，具有超長電池壽命;集成光敏二極體、ADC和信號處理功能，簡化了設計;通過I2C介面，讀取紫外線指數值;工廠校準提高產品的一致性;2×2毫米封裝。以上這些特性使得Si1132成為智慧可穿戴和保健應用的理想選擇。”
廖華平指出。
此外，Silicon Labs還推出了Si1145/46/47 UV和IR接近/環境光感測器，根據型號提供單、雙、三個LED驅動器集成選項，可為手勢辨識提供15級可選擇的驅動等級。可應用於：心率和血氧測量、長距離接近檢測、先進的2D和3D手勢檢測等。
Si1132和Si114x感測器在寬動態範圍的光源(包括太陽光)下提供了優秀性能。其牢靠的傳感架構，也包括一個感應能力高達128kLux的環境光感測器。光電二極體響應和相關的數位轉換電路，為人造光閃爍雜訊，和自然光干擾雜訊，提供了優秀的抗干擾能力。
“Si1132和Si114x感測器IC，非常適用於具有動作跟蹤功能的腕帶和臂帶產品、智慧手錶和智慧手機等應用。除了支援UV指數檢測之外，這些器件也可為健康和健身方面的應用，提供環境光和紅外(IR)接近感測功能。LG就用Si114x做了心率測量的耳塞。”廖華平表示。
2x2mm封裝、超低功耗解決可穿戴兩大難題
尺寸一直都是可穿戴設計中的一個難題，分立器件封裝佔用大量空間，很難應用於可穿戴產品中。因為當人們在戶外鍛煉時，手腕區域通常暴露於陽光下，因此運動手錶和健康/健身腕帶，非常適合具有UV測量功能的應用。然而，由於需要在極小的“手腕”尺寸中整合先進數位信號處理和天線功能，這些可穿戴設備已經變得空間極度受限。
傳統上，用於消費類的UV感測器採用分立式解決方案實現，通常由對UV頻率範圍敏感的光電二極體構成。在進入MCU處理之前，這些光電二極體產生的電流通過ADC進行數位化。光電二極體的靈敏度波動很大，消費類應用中的可靠性使用需要對其進行校準。這些分立式UV解決方案往往依賴於複合半導體，這使得它們很難與基於CMOS的信號調節和處理電路整合。
在矽基片上進行整合處理，不僅節省空間，而且可以改進UV測量本身。如果感測器IC不僅包含UV感測器，也包含信號調節電路(例如運算放大器)和ADC，那麼它就可以在工廠執行設備校準和程式設計，確保產品UV資料的一致性。如果一個MCU被整合到解決方案中去執行校準、資料讀取、並以可用形式提供資料，那麼這種能力將會進一步增強。
Silicon Labs首先將所有這些功能整合到單晶片解決方案中，在一個極小的2mmx2mm封裝的單晶片IC中，包含了UV指數感測器和數位處理電路。超小的2mm x 2mm封裝，有助於減小最終設計的尺寸，並且降低物料清單(BOM)成本。廖華平強調：“UV指數感測器IC產品，已經小到可以在典型的8.5英寸寬的頁面中放置655顆這種感測器。”
延長電池壽命是可穿戴設計的另一個難題，Si11xx的超低功耗架構可幫助用戶採用更小電池，實現更薄的可穿戴式設計，在每秒一次的UV測量速率下平均電流低至1.2μA，待機電流更是小於500nA，有效的延長了電池壽命。
圖2. 單晶片UV指數感測器IC架構示例。
在功耗顯著低於同類產品條件下，感測器也提供了更大的靈敏度和感應距離。憑著單一的25.6μs紅外光LED工作時間，高靈敏度的IR感測器能夠在移動感應，和手勢辨識應用中明顯延長電池壽命，同時保持長達50cm的感應距離。此外，LED電流動態調整也進一步降低了系統功耗。
圖3. Si114x超低功耗特性
如下圖4所示，為Si114x與同類競爭產品的性能比較，圖中的綠色部分指標體現了其優勢所在。
圖4. Si114x 擁有最好的接近檢測性能和最低的功耗。
在手勢感應和近接感應中的應用優勢
Si114x 擁有最好的接近檢測性能和最低的功耗，最多整合了3個LED驅動器，而競爭產品一般只整合了1個LED驅動器。這使得Si114x能夠用於開發手勢辨識介面，這對於可穿戴系統來講，正變得日益重要。當LED和相應的感測器放到皮膚上時，LED驅動器也能夠用於心率和脈搏測量。
Si114x感測器的LED驅動器，能夠為健康和健身跟蹤器提供反射式心率和血氧飽和度測量功能，非接觸式介面支援終端使用者遠距離控制。Si1146和Si1147感測器分，別提供兩個和三個紅外LED驅動器，支持高級運動和手勢感應。Si1146可以實現Z軸和X軸運動感應和非接觸式控制，而Si1147添加了第三軸，可以實現三維運動感應。兩個感測器提供的反射測量能夠進行後處理，以進一步判別手勢。
圖5. Si114x在手勢應用中的優勢
除了UV測量之外，環境光線感應器可輕鬆整合其它保健功能。例如，整天都會佩戴的可穿戴設備中的環境光感測器，當天黑時可以告知主機MCU，指示佩戴者可能處於睡眠中。可穿戴系統中的加速計讀數，能夠指示晚間睡眠模式是否受到干擾。環境光感測器也能夠針對攝入的可見光強度，調整顯示亮度，從而有助於改善可穿戴產品的使用者介面和電池壽命。
UVIrSlider2EK評估板——簡化設計
Silicon Labs為可穿戴開發人員，提供完整的硬體和軟體工具，以説明使用者簡化測試、功能特性、原型設計和軟體發展。UVIrSlider2EK
UV/IR評估套件為Silicon Labs的光學感測器，提供了一個高級的開發平臺。在超低功耗C8051F800單片機的控制下，UVIrSlider2EK將Si1146感測器連接到兩個紅外光LED，實現UV指數測量、高級2D/2軸非接觸式手勢辨識和物體接近檢測。
圖7. UVIrSlider2EK評估板——簡化設計
IrSlider2EK預先配置了固件，即通過五個LED燈顯示了使用者目前所處環境的UV強度指數。輔助演示軟體提供了一個可以顯示完整的UV指數資料的GUI介面，也提供了一個IR滑動條演示，並且這個演示可以通過8個可見的LED示範左/右/懸停等手勢辨識功能。此外，Silicon Labs還為環境光、近距離和手勢辨識的邏輯演算法，提供了示例軟體原始程式碼。
“為了更好的推廣，世強還提供很多更好的演示系統，那些演示系統可以免費提供給工程師做評估和應用，而且資料是免費開放給大家的。”
廖華平特別強調。
可穿戴式設計需要更高整合度、小尺寸封裝和低功耗的傳感解決方案，我們也可預見，對於業界首款單晶片數位UV指數感測器的需求，該感測器還提供了環境光和IR感應功能，非常適用於創新的健康和健身應用。而世強與Silicon Labs攜手，致力於將優秀的UV指數感測器及各種高性能功耗比的感測器帶給廣大用戶。
世強同時還提供節能型MCU、無線MCU和收發器、以及其他各類感測器，這些產品可以有效地整合進系統解決方案，滿足快速增長的可穿戴市場需求。(註：世強為Silicon Labs在中國市場代理商)
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