CN204293146U - 手持电子设备的心率感应芯片模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组，涉及电子设备，公开了一种心率感应芯片模组。本实用新型中，包括传感器组、红外发光二极管、传感选通器、模数转换器和数字信号处理器；传感器组包括红外接近传感器、红外心率传感器；红外接近传感器和红外心率传感器探测反射的红外信号；传感选通器的输入端与传感器组连接，输出端与模数转换器连接，选通一路传感器的模拟信号经模数转换器转换后交由数字信号处理器处理。本实用新型中，通过传感选通器选择一路传感器，功耗低、操作简单，可实现多种工作模式，并实现不同的功能。可以自动关闭屏幕，起到节省电池，防止误操作等功能。可以通过人的手指血管对红外光反射的能量变化来计算出人的心率。便于人们随时随地对心率进行测试。

Description

手持电子设备的心率感应芯片模组

技术领域

本实用新型涉及电子设备领域，特别涉及手持电子设备的心率感应芯片模组。

背景技术

随着电子设备技术的发展，手机的功能越来越强大，已成为人们随身携带必不可少的日常用品。这就要求手机的续航时间更长，性能更稳定。通常，提高手机电池的续航时间，延长待机时间，可通过两种方式，一是增加电池电量，二是减少手机耗电量。本领域技术人员都知道，手机的液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称“LCD”)是耗电量最多的部件之一，如能减少LCD的耗电量，可有效增加手机待机时间。另外，对于目前带触摸屏的手机所采用的电容触摸屏，在通话时时常会出现脸部、耳部触碰到屏幕而造成误操作。面对诸如上述问题，急需改进手机的性能以获得更好的用户体验。红外接近传感器可以有效解决以上问题，可以起到节省电量并避免手机屏幕发生误操作。

而且随着科技的发展越来越多的新功能被集成在手机等手持电子设备中，比如指纹识别，无线充电，红外遥控等。科技的创新，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法，脉搏测量可利用电子仪器测量出精度更高的数据。人体脉搏信号中包含丰富的生理信息，也逐渐引起了临床医生的很大兴趣，达到了方便、快捷、准确测量脉搏的目的。随着电子测量技术的迅速发展，现代电子测量仪器以极快的速度向数字化、自动化的方向发展。制成的脉搏测量仪器性能良好，结构简单，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。电子手持设备强大的CPU处理能力，就给我们提供了更好的将心率测试功能集成在电子手持设备上的基础及环境。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种手持电子设备的心率感应芯片模组，功耗低、操作简单、高精度的光学感应器。可实现多种工作模式，并根据不同模式的检测结果控制设备的工作状态，能够起到节省电池和防止误操作的效果。另外感应器发射出的红外光透过手指皮肤，经过血管反射，红外心率传感器可以通过人的手指血管对红外光反射的能量变化(或者周期变化)来计算出人的心率。便于人们随时，随地可以对自己的心率进行测试，监测自己的身体健康状况。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式公开了一种手持电子设备的心率感应芯片模组，包括传感器组、红外发光二极管、传感选通器、模数转换器和数字信号处理器；

传感器组包括红外接收传感器和红外心率传感器；

红外发光二极管发射红外信号，红外接收传感器探测反射回来的红外信号；

传感选通器的输入端与传感器组连接，传感选通器的输出端与模数转换器连接；

传感选通器根据工作模式选通一路传感器的模拟信号，经模数转换器转换后交由数字信号处理器处理。

本实用新型实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组内部集成红外接近传感器、红外心率传感器和红外发光二极管，并通过传感选通器选择其中一路传感器，功耗低、操作简单，可实现多种工作模式。相应地根据不同模式的检测结果控制设备的工作状态，感应器控制红外发光二极管发射出的红外光透过手指皮肤，经过血管反射，红外心率传感器可以通过人的手指血管对红外光反射的能量变化来计算出人的心率。便于人们随时、随地可以对自己的心率进行测试。

进一步地，手持设备可以通过I²C控制接口对传感器设置成不同工作模式，包括心率感应测试模式下传感器的分辨率、侦测时间、红外发光二极管的发光时间等。

进一步地，控制寄存器存储通过I²C接口传输的数字控制和数据，并提供给所述数字信号处理器进行处理。

进一步地，红外驱动器可以用于驱动红外发光二极管发射脉冲。

附图说明

图1是本实用新型第一实施方式中一种手持电子设备的心率感应芯片模组的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施方式中一种手持电子设备的心率感应芯片模组的内部框架图；

图3是本实用新型第二实施方式中一种手持电子设备的心率感应芯片模组的原理图；

图4是本实用新型第二实施方式中一种手持电子设备的心率感应芯片模组的封装外形图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型第一实施方式涉及一种手持电子设备的心率感应芯片模组。图1是该手持电子设备的心率感应芯片模组的结构示意图。

具体地说，如图1所示，该手持电子设备的手势感应***包括传感器组、红外发光二极管、传感选通器、模数转换器和数字信号处理器。

传感器组包括红外接近传感器和红外心率传感器。

红外发光二极管发射红外信号，红外接近传感器和红外心率传感器探测反射回来的红外信号。优选地，还包括红外驱动器，红外驱动器与红外发光二极管连接。

传感选通器的输入端与传感器组连接，传感选通器的输出端与模数转换器连接。

传感选通器根据工作模式选通一路传感器的模拟信号，经模数转换器转换后交由数字信号处理器处理。优选地，模数转换器包括参考电压设置部件，参考电压设置部件与模数转换器连接。

传感器组根据工作模式的需要，对内部集成的多种器件，包括红外接近传感器、红外心率传感器进行选通。手持电子设备的心率感应芯片模组相应地具有多种工作模式：待机模式、接近传感模式和心率传感模式。待机模式下传感器组处于休眠状态，待机功耗为1uA；接近传感模式下红外接近传感器检测红外反射信号强度，接近距离感应灵敏度达0至10厘米；心率传感模式下，根据红外心率传感器侦测的遇到手指血管和皮肤反射的红外反射信号的周期变化计算出人体的心率。可侦测范围为30-150次/分钟。

优选地，本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组还包括I²C接口。手持电子设备的心率感应芯片模组的数字控制和数据传输通过该I²C接口实现。

通过I²C接口可以设置不同工作模式下的参数，包括接近传感模式下接近传感器的分辨率、侦测时间，以及接近和心率感应下红外发光二极管的发光时间。控制寄存器存储通过I²C接口传输的数字控制和数据，并提供给数字信号处理器进行处理。红外驱动器可以用于驱动红外发光二极管发射脉冲。

I²C接口的时钟频率为100KHz或者400KHz。

此外，可以理解，在本实用新型的其他实施方式中，I²C接口的时钟频率也可以根据需要调整为其他频率，而不局限于100KHz或者400KHz。

优选地，本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组还包括控制寄存器，控制寄存器与I²C接口和数字信号处理器连接。

优选地，本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组还包括中断引脚，手持电子设备的心率感应芯片模组通过中断的方式向***上报数据。中断引脚可以通过I²C接口设置为边沿触发模式或者电平触发模式。

此外，可以理解，在本实用新型的其他实施方式中，也可以通过轮询或者其他方式向***上报数据，而不仅限于中断的方式。比如通过I2C接口进行数据通讯。上报红外发射原始数据。

优选地，本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组还包括振荡器和上电复位部件。

振荡器与手持电子设备的心率感应芯片模组中需要提供工作时钟的部件相连接。

上电复位部件用于手持电子设备的心率感应芯片模组的上电复位。

本实用新型手持电子设备的心率感应芯片模组内部集成红外接近传感器、红外心率传感器和红外发光二极管，并通过传感选通器选择其中一路传感器，功耗低、操作简单，可实现多种工作模式。相应地根据不同模式的检测结果控制设备的工作状态，能够起到节省电池、和防止误操作的效果，以及能够随时进行个人心率的测试。

本实用新型第二实施方式涉及一种手持电子设备的心率感应芯片模组，图2至图4分别是该手持电子设备的心率感应芯片模组的芯片内部框架图、设计原理图和封装外形图。

本心率传感***ePL2182(手持电子设备的心率感应芯片模组)内部集成接近传感器(PS)，心率传感器(HS)和红外LED发射灯。

PS是在芯片内嵌了一颗红外LED，在接近的时候将反射回来的红外信号转化为数字信号；并且接近检测不会受到540纳米的太阳光的影响。通过判断反射回来的能量强度来驱动设备控制器控制LCD的背光和触摸屏传感器工作状态。通话时，当设备靠近耳朵或者其它反射面的时候，就可以关掉LCD背光和触摸屏传感器，这样既可以达到节省电池电量，又能够防止对触摸屏的误操作。接近传感器，也可以通过手部在屏幕前挥动来唤醒设备。

心率传感器是一种功耗低、操作简单，高精度的光学感应器。感应器发射出的红外光透过手指皮肤，经过血管反射，红外心率传感器可以通过人的手指血管对红外光反射的能量变化来计算出人的心率。便于人们随时、随地可以对自己的心率进行测试，更加便利的关注自身健康。我们可以将该***应用到智能手机、智能手表、穿戴设备、平台电脑等便携手持设备。我们可以在任何使用该设备时，对自身心率进行测试、监控。

如图2所示，红外接近传感器，心率传感器分别由图中两个探头来实现。分别为Detector0和Detector1.Detector0用来对红外接近(PS)进行探测，Detector1则为心率感应(HS)的探测。接近传感模式和心率感应模式下，内置红外LED发射的红外光被外部物体或手指反射回来后，由Detector0和Detector1两个红外探头侦测。如图2所示，连接内置红外LED的两个外部引脚4和5为LEDA和LEDK。红外驱动器(IR Driver)可以用于驱动红外发光二极管发射脉冲，红外驱动器的外部引脚3为IR1_LED。引脚8(VDD)和引脚6(GND)分别为电源和地。

图2中，与两路探头相连的CDS(即相当于第一实施方式中的传感选通器)实现各路传感探头的选通，当选通的传感器不同时，芯片的工作模式相应地不同。

在本实施方式中，ePL2182传感器有五种工作模式：

1)待机模式：省电模式；

2)PS模式：接近传感器连续性的侦测；

3)PSS模式：接近传感器单次侦测；

4)HS模式：心率传感器连续性的侦测；

5)HSS模式：心率传感器单次侦测；

图2中传感选通器根据上述工作模式选通一路传感器的模拟信号，经模数转换器(ADC)转换后交由数字信号处理器(DSP)处理。参考电压设置部件(REF)与模数转换器(ADC)连接，为模数转换提供参考电压。

图2中控制寄存器与I²C接口和数字信号处理器连接。I²C接口和控制寄存器与数字信号处理器一同实现五种工作模式的切换，并可以设置不同工作模式下的参数，包括接近传感模式下接近感器的分辨率、侦测时间，以及红外发光二极管的发光时间。控制寄存器存储通过I²C接口传输的数字控制和数据，并提供给数字信号处理器进行处理。如图2所示，I²C接口的两个外部引脚1和7分别为SDA和SCL。

图2中，中断引脚2(INTB)是一个漏极开路输出。该引脚可设置为二进制模式和低电平有效两种模式，或通过I²C命令将该引脚功能关闭。在二进制模式下，INTB脚的值是和PS比较器的读值是相反的。在低电平有效模式，INTB脚正常一直为高，当PS比较器从0变为1或从1变为0时，中断标志位置1，中断脚INTB则为低，当主设备发送解锁或者中断标志位被清0，INTB脚则被复位。当中断标志位为高时，比较器会继续工作，判断读值。在中断引脚功能关闭模式下，中断标志位总是被赋值为逻辑0。

图2还包括振荡器和上电复位部件。振荡器与手持电子设备的心率感应芯片模组中需要提供工作时钟的部件相连接。上电复位部件用于手持电子设备的心率感应芯片模组的上电复位。

各工作模式的主要原理与特点为：

(1)在PS模式下，接近感测是通过控制内部红外LED发射脉冲，测量通过外部反射物发射回来的红外能量值。当设备被放置在靠近目标表面时，如人的脸部，或放在口袋，钱包，抽屉等地方，传感器检测到一个很高的红外反射信号。PS值(通道1输出值)和预先设定的门限值进行比较。同时这个门限值可以进行更改。如果PS值超过高门限，则数字信号处理器中PS比较器值为高，低于低门限时，比较器值为低。当红外反射信号超过或者低于预先设定的门限值时，数据就可以通过轮询或者中断的方式上报给***。可以读取通道1的数据获取PS的值，PS的读值和传感器到反射面的距离平方成反比，环境中的红外能量可以通过通道0来输出，PS模式下LED的发光时间有32段可以调，从4到20000时钟周期。

(3)在HS模式下，心率感应通过控制内部红外LED发射脉冲，当人的手指指尖放在传感器上方时，这时候心率感应传感器能够接收到通过手指血管中的血液和皮肤一起反射回的红外，因手指是固定在传感器上方，通过皮肤发射的红外能量值是固定的，手指指尖里的血管中的血液流动会随着心跳脉动的影响，进而造成血压周期性的变化，血压连续的压力变化，会造成血管改变其血管直径的大小，管径变化为连续性。心率感应传感器接收到通过血管反射的红外能量周期性变化，就可以计算出脉动周期，即人的心率。图3所示为该手持电子设备的心率感应芯片模组的设计原理图，图4所示为该手持电子设备的心率感应芯片模组的封装外形图，从左到右依次为正面图、反面图和侧面图。

本心率感应***(ePL282)内部集成红外接近传感器，红外心率传感器，红外发射二极管，传感选通器，模数信号转换器，LED驱动。

红外接近传感器主要应用包括：笔记本电脑、智能手机、移动互联网设备(MIDS)的PND(便携式导航设备)、电子书、平板电脑、平板电视等。主要用来延长电池寿命和获得更好的用户视觉体验感。红外心率传感器主要应用包括：智能手机，智能手表，穿戴设备，平板电脑等电子设备。主要用来随时可以对自己的心率进行监测，关注自身健康。

主要特性表现为：

红外接近传感器，红外心率传感器，红外LED集成在同一个芯片模组内；

高的接近灵敏度，检测距离范围从0到10厘米，可根据红外强度以及门限的定义来设定；

高的心率测试精确度，检测范围为人的任意10根手指，传感器工作模式可调；心率感应灵敏度1次；

内置红外LED和一个独立的LED驱动器；

心率感应识别范围：30-150次/分钟；

数字控制和数据输出通过I²C接口(I²C接口的时钟频率为100KHz或者400KHz)；

可对分辨率和心率感应的侦测时间进行编程；

中断脚可根据定义的高低门限进行事件触发；(边沿触发方式)

中断脚也可以被编程为电平触发模式；

芯片供电电压(VDD)：2.4V到3.6V；

芯片工作电流：320uA；

3.0V省电模式下，平均工作电流：红外接近模式为2mA电流，心率感应模式为30uA电流；待机模式下为1uA。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本实用新型的某些优选实施方式，已经对本实用新型进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (9)

1.一种心率感应芯片模组，其特征在于，包括传感器组、红外发光二极管、传感选通器、模数转换器和数字信号处理器；

所述传感器组包括红外接近传感器和红外心率传感器；

所述红外发光二极管发射红外信号，所述红外接近传感器和红外心率传感器探测反射回来的红外信号；

所述传感选通器根据工作模式选通一路传感器的模拟信号，经模数转换器转换后交由数字信号处理器处理。

2.根据权利要求1所述的心率感应芯片模组，其特征在于，还包括I²C接口，所述心率感应芯片模组的数字控制和数据传输通过该I²C接口实现。

3.根据权利要求2所述的心率感应芯片模组，其特征在于，所述I²C接口用于设置不同工作模式下的传感器参数，包括接近传感模式下接近传感器的分辨率、侦测时间，以及接近和心率感应下红外发光二极管的发光时间。

4.根据权利要求2所述的心率感应芯片模组，其特征在于，还包括控制寄存器，所述控制寄存器与所述I²C接口和所述数字信号处理器连接。

5.根据权利要求1所述的心率感应芯片模组，其特征在于，还包括中断引脚，所述心率感应芯片模组通过中断的方式向***上报数据。

6.根据权利要求5所述的心率感应芯片模组，其特征在于，所述中断引脚通过I²C接口设置为边沿触发模式或者电平触发模式。

7.根据权利要求1所述的心率感应芯片模组，其特征在于，所述模数转换器包括参考电压设置部件，所述参考电压设置部件与所述模数转换器连接。

8.根据权利要求1所述的心率感应芯片模组，其特征在于，还包括红外驱动器，所述红外驱动器与所述红外发光二极管连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的心率感应芯片模组，其特征在于，还包括振荡器和上电复位部件；

所述振荡器与心率感应芯片模组中需要提供工作时钟的部件相连接；

所述上电复位部件用于所述心率感应芯片模组的上电复位。