隨著蘋果發布iWatch 智能手表的腳步日益臨近，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 將采用Silicon Labs公司的紫外線指數傳感器芯片。而最近又有一系列文章預測，iWatch還將整合最少10種傳感器......毫無疑問，傳感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芯片紫外線指數傳感器，還提供各類高能效傳感器，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，并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能傳感器的最主要優勢。”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傳感器產品概覽。

UV指數傳感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于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檢測對于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：戶外活動的終端用戶在他們達到危險的暴露級別之前，帶有UV傳感器的產品可以為其測量累積的UV強度并且及時報警。

針對這一市場需求，Silicon Labs在今年2月份推出了適用于智能手機和可穿戴產品的單芯片數字紫外線(UV)指數傳感器IC系列——Si11xx——紫外線指數、環境光和接近/手勢傳感器。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是全球首款單芯片數字紫外線指數傳感器，它集成環境光傳感器，能自動調整顯示來優化功耗并讓人眼更舒服，同時可以跟加速計一起實現對人睡眠的跟蹤。其在1Hz采樣率下的功耗1.2uA ，具有超長電池壽命；集成光敏二極管、ADC和信號處理功能，簡化了設計；通過I2C接口讀取紫外線指數值；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成為智能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/環境光傳感器，根據型號提供單、雙、三個LED驅動器集成選項，可為手勢識別提供15級可選擇的驅動等級。可應用于：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傳感器在寬動態范圍的光源（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的環境光傳感器。光電二極管響應和相關的數字轉換電路為人造光閃爍噪聲和自然光干擾噪聲提供了優秀的抗干擾能力。

“Si1132和Si114x傳感器IC非常適用于具有動作跟蹤功能的腕帶和臂帶產品、智能手表和智能手機等應用。除了支持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。

尺寸一直都是可穿戴設計中的一個難題，分立器件封裝占用大量空間，很難應用于可穿戴產品中。因為當人們在戶外鍛煉時手腕區域通常暴露于陽光下，因此運動手表和健康/健身腕帶非常適合具有UV測量功能的應用。然而，由于需要在極小的“手腕”尺寸中集成先進數字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，用于消費類的UV傳感器采用分立式解決方案實現，通常由對UV頻率范圍敏感的光電二極管構成。在進入MCU處理之前，這些光電二極管產生的電流通過ADC進行數字化。光電二極管的靈敏度波動很大，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解決方案往往依賴于復合半導體，這使得它們很難與基于CMOS的信號調節和處理電路集成。

在硅基片上進行集成處理不僅節省空間而且可以改進UV測量本身。如果傳感器IC不僅包含UV傳感器也包含信號調節電路(例如運算放大器)和ADC，那么它就可以在工廠執行設備校準和編程，確保產品UV數據的一致性。如果一個MCU被集成到解決方案中去執行校準、數據讀取、并以可用形式提供數據，那么這種能力將會進一步增強。

Silicon Labs首先將所有這些功能集成到單芯片解決方案中，在一個極小的2mmx2mm封裝的單芯片IC中包含了UV指數傳感器和數字處理電路。超小的2mmx 2mm封裝有助于減小最終設計的尺寸并且降低物料清單(BOM)成本。廖華平強調：“UV指數傳感器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顆這種傳感器。”

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采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，待機電流更是小于500nA，有效的延長了電池壽命。

圖2. 單芯片UV指數傳感器IC架構示例。

在功耗顯著低于同類產品條件下，傳感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傳感器能夠在移動感應和手勢識別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。

在手勢感應和接近感應中的應用優勢

Si114x 擁有最好的接近檢測性能和最低的功耗，最多集成了3個LED驅動器，而競爭產品一般只集成了1個LED驅動器。這使得Si114x能夠用于開發手勢識別接口，這對于可穿戴系統來講，正變得日益重要。當LED和相應的傳感器放到皮膚上時，LED驅動器也能夠用于心率和脈搏測量。

Si114x傳感器的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，非接觸式接口支持終端用戶遠距離控制。Si1146和Si1147傳感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。兩個傳感器提供的反射測量能夠進行后處理，以進一步判別手勢。

圖5. Si114x在手勢應用中的優勢

圖6. Silicon Labs在接近應用中的優勢

除了UV測量之外，環境光線感應器可輕松整合其它保健功能。例如，整天都會佩戴的可穿戴設備中的環境光傳感器，當天黑時可以告知主機MCU，指示佩戴者可能處于睡眠中。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。環境光傳感器也能夠基于攝入的可見光強度調整顯示亮度，從而有助于改善可穿戴產品的用戶界面和電池壽命。

Silicon Labs為可穿戴開發人員提供完整的硬件和軟件工具，以幫助用戶簡化測試、功能特性、原型設計和軟件開發。UVIrSlider2EK UV/IR評估套件為Silicon Labs的光學傳感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傳感器連接到兩個紅外光LED，實現UV指數測量、高級2D/2軸非接觸式手勢識別和物體接近檢測。

圖7. UVIrSlider2EK評估板——簡化設計

IrSlider2EK預先配置了固件，即通過五個LED燈顯示了用戶目前所處環境的UV強度指數。輔助演示軟件提供了一個可以顯示完整的UV指數數據的GUI界面，也提供了一個IR滑動條演示，并且這個演示可以通過8個可見的LED示范左/右/懸停等手勢識別功能。此外，Silicon Labs還為環境光、近距離和手勢識別的邏輯算法提供了示例軟件源代碼。

“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。

本文小結

可穿戴式設計需要更高集成度、小尺寸封裝和低功耗的傳感解決方案，我們也可預見對于業界首款單芯片數字UV指數傳感器的需求，該傳感器還提供了環境光和IR感應功能，非常適用于創新的健康和健身應用。而世強與Silicon Labs攜手，致力于將優秀的UV指數傳感器及各種高性能功耗比的傳感器帶給廣大中國用戶。世強同時還提供節能型MCU、無線MCU和收發器、以及其他各類傳感器，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。

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