Si114x IC架构示例 - 传感器助力，几板斧搞定紫外线预防方案

　　预防性措施（例如UV指数）有益于公共健康，当人们在到达不健康的UV照射等级时提供早期报警。可穿戴设备和智能手机能够主动提供便捷的方法去使用UV数值指示，用它确认一个人能够在没有户外保护措施（例如，使用防晒霜、太阳镜、帽子和其它防护衣服）的阳光下停留多长时间。由于可穿戴设备和智能手机都可以长时间储存数据，因此消费者可以使用这些设备确定其累积的紫外线照射量，比如说当人在日光浴、运动或户外工作时。UV照射测量能够为可能受到晒伤风险人们提供至关重要的信息，尤其是长期UV照射累积而引起晒伤时。

　　另外解决强紫外线照射带来的严重健康问题，能够确认来自白天受到的深度紫外线的照射，提供舒适和便利的评估依据。假设在户外探险之前有时会忘记采用防晒措施，或者当他们初来乍到时可能没有意识到阳光射线的强度，从而容易受到晒伤。能够通知用户环境UV辐射强度的可穿戴设备可以帮助用户避免意外晒伤所带来的不适和危险。UV传感器也能够根据长时间的UV照射量提醒用户重新擦抹防晒霜。由于这些原因，具有UV指数传感器的可穿戴计算产品（例如健身追踪器和智能手表）正在开始出现在消费电子市场。

　　虽然工业UV传感器被广泛应用，但是这些传感器主要关注人工产生的波段，通常处于UVC范围内，以便确保工业工人不会受到用于消毒工具和设备上的UVC照射的影响。用于可穿戴设备或智能手机中的UV指数传感器（如图3所示）设计旨在关注UVA和UVB范围，以及关注依据CIE红斑作用光谱这些波长如何影响我们的皮肤。

　　

　　图3 - 可穿戴设备和智能手表产品能够通过集成UV指数传感器

　　帮助消费者免受UV过度照射

　　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。在进入微控制器（MCU）处理之前，这些光电二极管产生的电流通过模数转换器（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。

　　尺寸也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。

　　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已经在设计Si1132和Si114x数字UV传感器中实现了这种高集成方法，它在一个极小的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。事实上，由于UV指数传感器IC产品是如此之小，以至于可以在典型的8.5in宽的页面中放置655颗这种传感器。

　　由于大多数可穿戴设备是电池供电的，它们有较高的能耗限制，需要高能效的器件。基于这些考虑，Silicon Labs公司设计的Si1132和Si114x UV指数传感器（见图4示例）具有极低的电流消耗，每秒执行一次UV测量时仅消耗1.2µA，待机电流更是小于500nA。Si1132/4x传感器为获得更精确的测量，在工厂中进行了校准过程以克服器件之间的差异。该传感器包括工业标准的I2C接口，可传输数字化的UV指数值到主机处理器。为了确保传感器的UV读数匹配医学的重要频率范围，UV指数传感器仅在匹配CIE光谱规定的加权的UVA和UVB波长上执行测量。

　　

　　图4 - 单芯片UV指数传感器IC架构示例

　　包含采集和处理电子元器件的子系统可以很容易整合其他形式的光感应，所有这些能够通过单一I2C总线进行访问。这种方法被Silicon Labs的UV指数传感器系列产品用来整合不仅仅是环境光感应（用于检测可见光等级）也包括用于接近检测的红外感应。此外，Si114x传感器最多集成了3个LED驱动器，能够用于开发手势识别接口，这对于可穿戴系统正变得日益重要。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。先进移动和手势感应的开发可依靠设计工具套件和API辅助实现。

　　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。

　　通过将UV指数检测和处理功能集成到一个极小、节能、单芯片的解决方案，加上包括用于用户界面功能和健康监视的其它特性，Silicon Labs已经朝着“使UV传感器成为快速成长的消费类可穿戴设备市场的必备功能”这个方向迈出坚实一步。