CN106923809A - 用于光体积描记传感器的电路及方法 - Google Patents

用于光体积描记传感器的电路及方法 Download PDF

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Abstract

一些实施例涉及一种用以在光体积描记传感器装置中移除信号的对应于周围光的分量的装置、方法及/或存储处理器可执行过程步骤的计算机可读媒体，所述实施例包含：捕获第一所检测光信号，所述第一所检测光信号表示第一时间的周围光；致使光发射器产生以第一等级驱动的源光信号；捕获第二所检测光信号，所述第二所检测光信号表示在与用户的组织相互作用之后的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而产生第一输出信号；致使所述光发射器产生以第二等级驱动的源光信号；捕获第三所检测光信号，所述第三所检测光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的以所述第二等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；及基于由所述第一所检测光信号调整的所述第三所检测光信号而产生第二输出信号。

Description

用于光体积描记传感器的电路及方法
技术领域
下文所描述的实施例涉及对生物计量数据的测量。一些实施例涉及光体积描记传感器。
背景技术
最近消费者对个人健康的关注已导致在市场上提供多种个人健康监测装置。直到最近，此类装置趋向于使用起来为复杂的且通常经设计以供与一种活动一起使用，例如，自行车旅行计算机。
传感器、电子器件及电源小型化中的最近进展已允许以先前不实际的极小大小提供个人健康监测装置(本文中还称为“生物计量追踪”或“生物计量监测”装置)的大小。举例来说，乐活公司(Fitbit,Inc.)生产可具有若干个特征及元件(例如显示器、电池、传感器、无线通信能力、电源及接口按钮)以及用于将这些装置附接到口袋或衣服的其它部分或者附接到穿戴者的身体部分(封装于小体积内)的机构的若干种生物计量追踪装置。
这些装置使用多种传感器来收集、处理及显示各种各样的数据。用于一些生物计量追踪装置中的一种类型的传感器为心率传感器。这些心率传感器通常通过将光发射到用户的皮肤中且接着在所发射光与用户的皮肤相互作用之后测量往回反射或漫射的光而操作。
发明内容
一些实施例涉及一种用以移除信号的对应于周围光的分量的装置、方法及/或存储处理器可执行过程步骤的计算机可读媒体。此类实施例可包含：捕获第一所检测光信号，所述第一所检测光信号表示第一时间的周围光；致使光发射器产生以第一等级驱动的源光信号；捕获第二所检测光信号，所述第二所检测光信号表示在与用户的组织相互作用之后的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而产生第一输出信号；致使所述光发射器产生以第二等级驱动的源光信号；捕获第三所检测光信号，所述第三所检测光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的以所述第二等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；及基于由所述第一所检测光信号调整的所述第三所检测光信号而产生第二输出信号。
在一些实施例中，所述光发射器经操作以捕获第四所检测光信号，所述第四所检测光信号表示在与所述用户皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号，且基于由所述第一所检测光信号调整的所述第四所检测光信号而产生第三输出信号。依照一些实施例，所述第一所检测光信号通过激活光检测器而检测。
依照一些实施例，所述输出信号经转换为数字形式且提供到处理器以用于进一步处理。
如本文中所描述的实施例提供若干个优点。举例来说，实施例提供将以比现有方法基本上低的电力消耗进行的准确光学心率测量。此外，实施例提供电路板空间需求及组件成本上的大量节省，从而允许此类实施例在电池供电的小外观尺寸装置中的使用。其它优点包含经改进信噪比(SNR)及用于拒斥周围光源(例如日光)的经增强动态范围。
通过参考以下详细描述及所附图式可获得对一些实施例的较完整理解。
附图说明
依据对如附图中所图解说明的以下说明书的考量，将易于明了实施例的构造及使用，在附图中相似参考编号指定相似部件且其中：
图1是根据一些实施例的装置的俯视透视图；
图2是根据一些实施例的装置的仰视透视图；
图3是根据一些实施例的装置的框图；
图4是依照一些实施例的传感器的框图；
图5是依照一些实施例的传感器的电路的实例性示意图；
图6是依照一些实施例的传感器的电路的实例性示意图；
图7是依照一些实施例的图解说明与图3到5的电路相关联的特定信号的相对时序及量值的图式；
图8是依照一些实施例的图解说明与图3到5的电路相关联的特定信号的相对时序及量值的图式；
图9是依照一些实施例的图解说明与图3到5的电路相关联的特定信号的相对时序及量值的图式；
图10是根据一些实施例的过程的流程图；
图11是根据一些实施例的过程的流程图；且
图12是根据一些实施例的过程的流程图。
具体实施方式
提供以下描述以使得所属领域的技术人员能够做出并使用所描述实施例。然而，各种修改将保持为所属领域的技术人员所易于明了。现在将参考附图描述特定实例以便提供对各种特征的介绍。实施例不限于此实例的特征或描述。
如上文所论述，若干种生物计量监测装置由消费者、健康护理专业人员及希望收集并监测生物计量信息的其它人使用。在图1中展示此生物计量监测装置100的实例。根据所图解说明实施例，装置100可穿戴于用户的手腕上。装置100包含显示器140，所述显示器可包括任何适合类型的显示屏且可基于生物计量及由装置100检测、收集、监测或以其它方式产生的其它数据而显示图形指示符。装置100可包含一或多个按钮180，所述一或多个按钮可由用户操纵以提供到装置100的输入。显示器140还可并入有一或多个输入装置(例如触摸屏)。带190可缠绕在手腕上且可使用一或多个固定元件195(例如，钩与环、扣钩、形状记忆元件、磁体)固定。装置100的形状及配置是可在其内部署本发明的实施例的一个实例性配置。本文中所陈述的光体积描记传感器系统及方法可以合意结果用于具有各种各样的形状及配置的装置中，且图1及图2中所图解说明的形状及配置是出于说明性目的。
图2是装置100的仰视图，其展示传感器组件210及电力接口220。传感器组件210可包含受益于与用户的皮肤紧密接近及/或接触的传感器。此类传感器可包含光体积描记传感器(例如，心率、脉搏血氧计等等)、湿度、温度及/或电容触摸传感器(例如，用以检测装置何时被穿戴)。电力接口220可与对接站或其它电源介接以接收电荷以用于对定位于装置100内的电池进行充电。虽然为简单起见而展示单个传感器组件210，但可提供多个传感器组件。此外，尽管在图2中将传感器组件210图解说明为从装置100稍微突出，但其它实施例可在不使用明显突出的情况下将传感器放置为接近于用户。
本文中将进一步详细地描述特定类别或类型的传感器—“PPG”或“光体积描记”传感器的特征。PPG传感器(例如心率监测器或脉搏血氧计)使用基于光的技术来感测如由心脏的泵送动作控制的脉动血流。PPG传感器可用于测量用户的心率、血氧合及其它生物计量参数。在图1及图2中所展示的装置100中，传感器组件210可遮蔽或相关联于一或多个光源(例如，发光二极管或“LED”)及光检测器以及对应控制电路(例如，如下文进一步所描述)。在一些情形中，可使用光管来将光源或检测器与用户的皮肤的表面光学连接。在皮肤下面，来自光源的光散射于身体中的血液中，所述光中的一些光可往回散射或反射到定位于传感器组件210后面的光电检测器中。在一些实施例中，如本文中将进一步描述，传感器组件210可经定形状及形成以改进传感器的操作。举例来说，在一些实施例中，传感器组件210可利用透光结构来改进PPG传感器的性能。举例来说，透光结构可包含由不透明材料组成的掩模，所述掩模限制光源及/或检测器中的一者、一些或全部的孔径。以此方式，透光结构可选择性地界定或控制用户的身体的光被发射到其中及/或从其检测到的优先体积。
图3是根据一些实施例的监测系统300的框图。依照一些实施例，系统300可经操作以控制对生物计量数据的收集及使用。在一些情形中，监测系统300可实施图1中所展示的装置100的内部特征。
如图3所展示，系统300包含一或多个处理单元310(例如，硬件元件(例如处理器核心及/或处理线程)、离散或集成逻辑及/或一或多个状态机及/或现场可编程门阵列(或者其组合))。在一些情形中，一或多个处理单元310经配置以执行处理器可执行程序代码以致使装置300如本文中所描述而操作，且存储器320用于存储程序代码及任何其它适合数据。存储器320可包括安装于对应接口(例如，USB端口)中的一或多个固定磁盘、固态随机存取存储器及/或可装卸媒体(例如，拇指驱动器)。
显示接口330提供与显示器340的通信，所述显示器可包括用于对已知或变得已知的信息的视觉呈现的任何系统。根据一些实施例，显示器340可包括用于将用户输入接收到系统300中的触摸屏。图1中所展示的显示器140是显示器340的实例。
一或多个处理单元310可执行存储于存储器320中的处理器可执行程序代码以致使系统300处理传感器数据、控制传感器及相关组件的操作且如本文中所论述而执行操作。根据一些实施例，系统300包括集成装置，例如但不限于可穿戴单元(例如，围绕用户的手腕(例如图1及2中所展示的装置100)、围绕用户的颈部等等)或另一便携式单元(例如，智能电话、专用音乐播放器、钥匙坠(fob))。在一些实施例中，系统300的元件可体现于单独装置(例如包含元件310、320及330的服务器装置(例如，桌上型计算机)以及包含显示器340的终端装置(例如，手表))中。系统300可执行除本文中归于此的功能之外的功能且可包含其操作所必需的任何元件。
系统300的一些实施例包含具有适于耦合到用户的身体的物理大小及形状的便携式监测装置，此允许用户执行常见或典型用户活动(举例来说，包含所有种类及类型的运动)而不妨碍用户执行此类活动。此装置的实例是图1的装置100。便携式监测装置可包含在此类常见或典型用户活动期间促进将所述装置耦合或贴附到用户的机构(举例来说，夹具、绑带及/或系带)。
系统300进一步包含用于与一或多个传感器360交换数据的一或多个传感器接口350。传感器360可包括用于获取包含生物计量监测数据的数据的任何传感器。传感器360的实例包含但不限于加速度计、光传感器、罗盘、开关、计步器、血氧传感器、陀螺仪、磁力计、全球定位系统装置、接近传感器、测高仪及心率传感器。传感器360中的一或多者可共享共用硬件及/或软件组件。
如图3中所展示，根据一些实施例，用户370经图示以指示用户370影响由一或多个传感器360中的一或多者获取的数据。举例来说，一或多个传感器360可基于用户370的物理活动产生数据。此外，传感器360中的一或多者可经由与用户的直接接触(举例来说，在心率、皮肤温度及/或血氧监测期间)产生数据。
现在参考图4，其中展示可用作图3中的装置300的多个传感器360中的一者的光学心率传感器400的框图。虽然相对于光学心率传感器论述图4，但将了解，其它实施例可涉及其它类型的光体积描记传感器。如图4中所展示，传感器400包含朝向用户的皮肤发射光的一或多个光源410，且其中此光从用户的皮肤/内部组织的反射及/或漫射由一或多个光检测器420感测，来自所述一或多个光检测器的信号随后由模/数转换器(“ADC”)408数字化。光源410的强度可经修改(例如，通过光源控制模块412)以维持所要光信号强度。举例来说，在一些实施例中，光源410可经控制以将光源410放置于一个或数个操作模式中，包含关断操作模式(其中光源410禁用)、第一操作模式(其中光源410以低操作等级发射光)及第二操作模式(其中光源410以较高操作等级发射光)。在一些实施例中，高操作等级大约为低操作等级的五倍高，但两个等级之间的比率可经选择使得所述比率不如此低以致浪费放大器430的动态范围且也不如此大以致冒接近供应电平电压的风险(此可导致关于安定(settling)及噪声的问题)。下文更详细地论述这些操作模式。此外，将了解，光源控制模块412及微控制器(“MCU”)402也可以其它操作模式控制光源410。
光源控制模块412可由MCU 402控制。如所展示，ADC 408可形成或配置为MCU402的部分；然而，此配置仅出于说明性目的。其它可能实施方案包含使用实施为MCU的一部分或从所述MCU分离的一或多个内部或外部ADC或者其它组件。由于MCU 402从第一级(放大器430)及第二级(增益级440)获得数据，因此MCU 402可经配置以在较高增益与较低增益之间进行切换(例如，以适应宽广范围的皮肤色调等等)。此外，在一些操作条件中，MCU 402可在处于低增益操作模式中时有效地(或实际上)致使第二级440被断电或置于低电力状态中。MCU 402可基于从第一及第二级(430、440)接收的操作信息而适应性地控制光源412的操作，从而允许各种各样的操作控制。
依照一些实施例，所检测光信号(由光检测器420获得)使用低增益放大器430后续接着第二增益级440来处理。两个级的输出可由MCU 402监测以提供适合于宽广范围的用户的宽广范围的增益。当第二级在使用中时(如本文中进一步所描述)，监测第一级可提供用于调谐光源410的有价值信息。
现在将参考图5描述放大器430及增益级440的特征，其中展示电路500的实例性示意图。如所描绘，低增益放大器530具有耦合到电容器540的输出，所述电容器可选择性地耦合到开关542。当开关542处于闭合位置中时，放大器530(本文中还称为“第一级”)对周围信号进行取样作为跨越电容器540的电压。当开关542断开时，表示周围信号的电压由电容器540存储。在操作中，将对开关542的控制连同对光源410的控制一起执行以提供其中在开关542闭合时对周围信号进行取样作为跨越电容器540的电压的操作序列。接着，断开开关542且激活或启用光源410。此致使所反射光由光检测器420检测，所述光检测器将经改变输入提供到放大器430，从而导致放大器550的非反相输入处的V1的对应改变。特定来说，依照一些实施例，放大器550的非反相输入表示与由光检测器420检测到的信号减去存储或冻结到电容器540中(从开关542闭合时开始且在激活光源410之前)的周围信号相关联的电压变化。增益级440(例如，放大器550及反馈552)提供额外增益以提供表示所取样PPG信号的输出信号(Vout)，将所述输出信号(Vout)提供到ADC 408以用于进一步处理。在一些实施例中，光源410的操作序列可包含操作光源410以在低(非零)等级下发射光以用于周围取样。
在图6中展示具有光电二极管620及电压源634的电路500的配置的一个说明性实例，但所属领域的技术人员将了解，还可提供其它配置。在如所描绘的配置中，提供反馈电阻器636(例如，以基于反馈电阻器636的电阻提供放大器532的增益)。可与反馈电阻器636并联地提供反馈电容器638以提供经改进安定时间及稳定性。光电二极管620展示为光检测器且经配置以在放大器532的总和点处提供电流路径。电压源634经配置以将已知且稳定电压(举例来说，例如0.1V到0.2V，但所述值可经调整以补偿给定实施方案中的预期信号量值)提供到放大器532的非反相输入。在一些实施例中，电压源634是使用肖特基(schottky)二极管620而非电压参考电路来配置。如上文所描述，一些实施例利用低增益放大器532来实现合意结果，例如用于拒斥强周围光源的较高动态范围。因此，反馈电阻器636的值经选择以配置放大器532，使得所述放大器具有低增益。对电压源634的使用将非零参考电压提供到放大器532以防止在接近供应电压电平的信号电平下的长安定时间(此针对处于低光情景中的一些实施例可为有用的)。在一些实施例中，可期望将放大器532输出(在VTIA处)逆向驱动到参考电压，或者在放大器532关断时将光电二极管箝位到零或反向偏置状态以便减少放大器的初始安定时间。在一些实施例中，可通过将放大器532的输出耦合到ADC408(如图4中所展示)的输入而实现此参考电压逆向驱动。此外，在一些实施例中，可在放大器532的输出处提供抗混叠滤波器。在一些实施例中，经选择以在ADC 408的取样频率附近操作的简单电阻器/电容器滤波器可为优选的。
现在将参考图7描述对图5的电路的操作的控制及排序，图7展示与图5的电路相关联的特定信号的相对时序及说明性数量级。举例来说，图5展示来自放大器530的电压(VTIA)、开关542的状态(断开或闭合)、光源410的状态(接通或关断)、放大器550的非反相输入处的电压(V1)及放大器550的输出(VOUT)。下文还将连同图8及9一起描述类似信号。
在图7的图式中展示三个主要时间事件(时间t0、t1及t2)且描绘对电路500进行控制以执行基本周围信号减法运算。时间t0表示其中对周围信号进行取样作为跨越电容器540的电压(在开关542闭合时)的时间。开关542接着断开以将周围信号冻结或存储于电容器540中。时间t1表示其中激活或启用光源410的时间，且时间t2表示其中对第二级440的输出进行取样(例如，对PPG输出信号进行取样且提供到ADC 408以用于进一步处理)的时间。在图7中还值得注意的是与放大器430的操作相关联的事件，包含其中激活放大器430的事件702及其中将放大器430及光源410去激活的事件704。在图8到9中展示类似事件。举例来说，与图7(及图8到9)中所描述的信号相关联的控制事件可由连同图4一起被描述的MCU402控制。举例来说，提供到MCU 402的信号V1及/或VOUT可由ADC 408在t2处且在一些实施例中在t1处数字化。
现在参考图8，其中展示另一图式，所述另一图式描绘图5的电路500的用以执行差分过取样以产生过取样PPG输出信号的操作。在图8的图式中展示数个主要时间事件，包含时间t0、t1、t2及t3。时间t0表示其中对周围信号进行取样作为跨越电容器540的电压(在开关542闭合时)的时间。开关542接着断开以将周围信号冻结或存储于电容器540中。时间t1表示其中以第一操作等级(例如，以低等级)激活或启用光源410的时间。时间t2表示其中由ADC对周围信号减去后的经反射光信号(由光检测器420检测且提供到放大器430的输入)进行取样一或多次的时间。时间t3表示其中以第二操作等级(例如，以高等级)启用光源410且由ADC对周围信号减去后的经反射光信号(由光检测器420检测且提供于放大器430的输入处)进行取样一或多次的时间。举例来说，在一些实施例中，ADC 408可为使用对周围信号减去后的信号的过取样的快速低精确度ADC。在一些实施例中，也可使用对单个样本进行操作的较高精确度ADC。将输出信号(包含当光源410处于低等级及处于高等级时对周围信号减去后的信号的过取样)提供到ADC 408以用于进一步处理。
图8中所图解说明的差分过取样允许减小与周围及控制信号相关联的噪声的影响，这是因为所述噪声变为通过减去高及低过取样信号而被拒斥的共模偏移。举例来说，图8中所图解说明的差分过取样允许减小光源驱动器或接收器放大器中的1/f噪声或零点漂移(offset drift)的影响或从开关542到电容器540的电荷注入。此外，连同图8的实施例一起描述的两个等级避免接近供应轨电压而操作第二级(此可另外增加与经增加安定时间或PSRR(电力供应拒斥比)相关联的问题)。尽管差分过取样实施例需要光源410的额外操作模式，但通过以低操作等级操作光源410而最小化额外电力需求。
现在将参考图9描述动态周围信号拒斥操作模式的特征。在图9的图式中展示数个主要时间事件，包含时间t0、t1、t2、t3及t4。时间t0表示其中对周围信号进行取样作为跨越电容器540的电压(在开关542闭合时)的时间。开关542接着断开以将周围信号冻结或存储于电容器540中。时间t1表示其中以第一操作等级(例如，以低等级)激活或启用光源410的时间。时间t2表示其中对周围信号减去后的经反射光信号(由光检测器420检测且提供到放大器430的输入)进行过取样(在其中ADC 408为低精确度ADC的情形中)或取样(在其中ADC408为较高精确度ADC的情形中)的时间。时间t3表示其中以第二操作等级(例如，以高等级)启用光源410且对周围信号减去后的经反射光信号(由光检测器420检测且提供于放大器430的输入处)进行过取样的时间。接着以第一操作等级(例如，以低等级)激活或启用(第二次)光源410。时间t4表示其中对周围信号减去后的经反射光信号(由光检测器420检测且提供到放大器430的输入)进行过取样的时间。也就是说，在动态周围信号拒斥操作模式中，以两种操作模式(例如，以低等级及高等级)激活光源410，且进行多个PPG过取样(例如，以光源的低等级的第一过取样、以光源的高等级的第二过取样及再次以光源的低等级的第三过取样)。
结果为允许拒斥迅速改变的周围信号的操作模式。用于改变的环境中的生物计量监测装置(例如由骑自行车者或户外跑步者使用的心率监测器)必须忍受迅速改变的周围光。当以动态周围信号拒斥操作模式操作装置400时，进行PPG取样，其中在进行PPG取样之前光发射器以第一(例如，低)操作模式操作且在进行PPG取样之后光发射器以第二(例如，高)操作模式操作。此允许MCU 402计算考量周围信号的时间改变性质的PPG值。举例来说，MCU可针对图9中所展示的信号产生如下PPG值：PPG＝-0.5*ADC(t2)+ADC(t3)+(-0.5*ADC(t4))(其中时间对应于图9中所展示的时间系列，且其中ADC值是在所述时间点处接收的过取样PPG信号值)。此类实施例在涉及迅速改变的DC周围信号的情景中提供合意结果，且允许拒斥DC周围信号及线性改变的DC周围信号两者。依照一些实施例，光源410的第一操作模式(例如，低)及第二操作模式(例如，高)两者的值被MCU 402知晓且使用光源控制件412来控制。
图10是根据一些实施例的过程1000的流程图。可使用硬件或软件的任何适合组合(包含系统300或装置400的实施方案)来执行过程1000及本文中所描述的其它过程。体现这些过程的软件可由任何非暂时性有形媒体(举例来说，包含可由图4的MCU 402存取或体现于所述MCU中的只读或读取/写入存储器)存储。一般来说，过程1000包含用以控制例如图4中所展示的组件的组件以捕获用于由例如MCU 402的装置处理的信号的步骤。更特定来说，过程1000描绘用以控制组件以执行基本周围信号减法过程(例如，如连同图7一起所描述)的步骤。
控制处理在1002处开始，其中组件经控制以捕获表示周围条件的信号。举例来说，MCU 402可致使放大器430操作以断开开关(例如开关542)以将表示周围条件的电压冻结或存储于电容器540中。
处理在1004处继续，其中组件经控制以致使光发射器发射光。举例来说，MCU 402可致使光源控制件412激活光源410以朝向用户的皮肤引导具有已知量值及强度的光。处理在1006处继续，其中组件经控制以捕获入射光信号。举例来说，MCU 402可致使光检测器420进行操作。
在1008处，组件经控制以基于由先前所捕获周围信号调整的所捕获光产生输出信号。举例来说，放大器430可经操作以产生基于所检测光信号减去与在1002处捕获的周围信号相关联的所存储值的中间输出信号(在图5中展示为V1)。在一些实施例中，在1008处的处理可包含在将输出信号提供到MCU 402的ADC 408之前将增益施加到中间输出信号(例如，使用增益级440)。以此方式，实施例允许对光学信号(例如PPG信号)的准确且低电力测量。
现在参考图11，其中展示依照一些实施例的另一过程1100的流程图。过程1100描绘用以控制组件以执行差分过取样过程(例如，如连同图8一起所描述)的步骤。
控制处理在1102处开始，其中组件经控制以捕获表示周围条件的信号。举例来说，MCU 402可致使放大器430操作以断开开关(例如开关542)以将表示周围条件的电压冻结或存储于电容器540中。
处理在1104处继续，其中组件经控制以致使光发射器以第一等级发射光。举例来说，MCU 402可致使光源控制件412以第一操作模式(例如，以已知低强度级)激活光源410以朝向用户的皮肤引导具有已知量值及强度的光。处理在1106处继续，其中组件经控制以捕获入射光信号。举例来说，MCU 402可致使光检测器420进行操作。
在1108处，组件经控制以基于由先前所捕获周围信号调整的所捕获光产生输出信号。举例来说，放大器430可经操作以产生基于所检测光信号减去与在1102处捕获的周围信号相关联的所存储值的中间输出信号(在图5中展示为V1)。
处理在1110处继续，其中组件经控制以致使光发射器以第二等级发射光。举例来说，MCU 402可致使光源控制件412以第二操作模式(例如，以已知高强度级)激活光源410以朝向用户的皮肤引导具有已知量值及强度的光。处理在1112处继续，其中组件经控制以捕获入射光信号。举例来说，MCU 402可致使光检测器420进行操作。
在1114处，组件经控制以基于由先前所捕获周围信号调整的所捕获光产生输出信号。举例来说，放大器430可经操作以产生基于所检测光信号减去与在1102处捕获的周围信号相关联的所存储值的中间输出信号(在图5中展示为V1)。以此方式，图4的装置可经操作以执行差分过取样，从而将额外数据提供到MCU 402以用于处理心率信息。差分过取样致使一些噪声源显现为可通过减去低及高过取样信号而被拒斥的共模偏移。结果为经由图10的过程的以相对低额外成本(在电力方面(通常与光源的额外操作相关联))、具有较大准确度的经改进心率检测。MCU 402可经配置以在不同环境或使用情形中执行差分过取样(如图11中所描述)或基本周围信号减法(如图10中所描述)，这是因为电路(如图5及6中所展示)针对任一情境保持不变。
现在参考图12，其中展示依照一些实施例的另一过程1200的流程图。过程1200描绘用以控制组件以执行动态周围信号拒斥过程(例如，如连同图9一起所描述)的步骤。
控制处理在1202处开始，其中组件经控制以捕获表示周围条件的信号。举例来说，MCU 402可致使放大器430操作以断开开关(例如开关542)以将表示周围条件的电压冻结或存储于电容器540中。
处理在1204处继续，其中组件经控制以致使光发射器以第一等级发射光。举例来说，MCU 402可致使光源控制件412以第一操作模式(例如，以已知低强度级)激活光源410以朝向用户的皮肤引导具有已知量值及强度的光。处理在1206处继续，其中组件经控制以捕获入射光信号。举例来说，MCU 402可致使光检测器420进行操作。
在1208处，组件经控制以基于由先前所捕获周围信号调整的所捕获光产生输出信号。举例来说，放大器430可经操作以产生基于所检测光信号减去与在1202处捕获的周围信号相关联的所存储值的中间输出信号(在图5中展示为V1)。
处理在1210处继续，其中组件经控制以致使光发射器以第二等级发射光。举例来说，MCU 402可致使光源控制件412以第二操作模式(例如，以已知高强度级)激活光源410以朝向用户的皮肤引导具有已知量值及强度的光。处理在1212处继续，其中组件经控制以捕获入射光信号。举例来说，MCU 402可致使光检测器420进行操作。
在1214处，组件经控制以基于由先前所捕获周围信号调整的所捕获光产生输出信号。举例来说，放大器430可经操作以产生基于所检测光信号减去与在1202处捕获的周围信号相关联的所存储值的中间输出信号(在图5中展示为V1)。
处理在1216处继续，其中组件经控制以致使光发射器在第一等级(例如，与步骤1204中相同的操作光发射器的等级)下发射光。举例来说，MCU 402可致使光源控制件412以第一操作模式(例如，以已知低强度级)激活光源410以朝向用户的皮肤引导具有已知量值及强度的光。处理在1218处继续，其中组件经控制以捕获入射光信号。举例来说，MCU 402可致使光检测器420进行操作。
在1220处，组件经控制以基于由先前所捕获周围信号调整的所捕获光产生输出信号。举例来说，放大器430可经操作以产生基于所检测光信号减去与在1202处捕获的周围信号相关联的所存储值的中间输出信号(在图5中展示为V1)。
以此方式，图4的装置可经操作以执行动态周围信号拒斥，从而将额外数据提供到MCU 402以用于处理心率信息。动态周围信号拒斥允许处置迅速改变的DC周围信号。如上文连同图9一起所论述，可由MCU 402应用公式以产生移除DC周围信号及迅速改变的DC周围信号两者的PPG值。结果为在其中周围条件变化的情景中的具有较大准确度的经改进心率检测。MCU 402可经配置以在不同环境或使用情形中执行动态周围信号拒斥(如图12中所描述)、差分过取样(如图11中所描述)或基本周围信号减法(如图10中所描述)，这是因为电路(如图5及6中所展示)针对任一情境保持不变。本文中所描述的实施例中的每一者允许光学心率数据的准确且低功率产生。
前述图式表示用于描述根据一些实施例的过程的逻辑架构，且实际实施方案可包含以其它方式布置的较多或不同组件。可连同其它实施例一起使用其它拓扑。此外，本文中所描述的每一系统可由经由任何数目个其它公共及/或私有网络通信的任何数目个装置实施。此类计算装置中的两者或多于两者可远离彼此而定位且可经由任何已知方式的网络及/或专用连接彼此通信。每一装置可包含适合于提供本文中所描述的功能以及任何其它功能的任何数目个硬件及/或软件元件。举例来说，用于一些实施例的实施方案中的任何计算装置可包含用以执行程序代码使得计算装置如本文中所描述而操作的处理器。
本文中所描述的模块及组件可以硬件、执行固件及/或软件指令的处理器或者其任何组合来实施。举例来说，处理模块的存储器部分可以一或多个存储器装置(例如以下各项中的一或多者：磁盘、光盘、随机存取存储器(RAM)、视频RAM、快闪存储器等)来实施。类似地，处理或控制模块(举例来说，例如图4的光源控制模块412)的处理单元可使用以下各项中的一或多者来实施：离散组件、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)等。如果模块、处理器及/或处理单元使用执行固件及/或软件指令的处理器来实施，那么软件或固件指令可存储于任何计算机可读存储器中(例如存储于磁盘、光盘上、RAM或ROM或者快闪存储器、处理器的存储器(例如，高速缓冲存储器)等中)。执行固件及/或软件指令的处理器可包括通用处理器或专用处理器(例如数字信号处理器(DSP)、图形处理器等等)。
所属领域的技术人员将了解，上文所描述实施例的各种更改及修改可在不背离本发明的范围及精神的情况下配置。因此，将理解，可不同于如本文中所具体描述而实践权利要求书。

Claims (30)

1.一种用于在光体积描记传感器装置中移除信号的对应于周围光的分量的方法，所述方法包括：
捕获第一所检测光信号，所述第一所检测光信号表示第一时间的周围光；
致使光发射器产生以第一等级驱动的源光信号；
捕获第二所检测光信号，所述第二所检测光信号表示在与用户的组织相互作用之后的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；
基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而产生第一输出信号；
致使所述光发射器产生以第二等级驱动的源光信号；
捕获第三所检测光信号，所述第三所检测光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的以所述第二等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；及
基于由所述第一所检测光信号调整的所述第三所检测光信号而产生第二输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
基于所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的差而产生光体积描记信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
致使所述光发射器产生以所述第一等级驱动的源光信号；
捕获第四所检测光信号，所述第四所检测光信号表示在与所述用户皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；及
基于由所述第一所检测光信号调整的所述第四所检测光信号而产生第三输出信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述捕获所述第一所检测光信号进一步包括：
致使表示所述源光信号的电压被存储。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述捕获所述第一所检测光信号进一步包括：
激活光检测器以检测所述第一所检测光信号，其中所述第一所检测光信号表示以下各项中的至少一者：(i)周围光条件；及(ii)周围光条件与光信号，所述光信号表示在与所述用户皮肤相互作用之后的以非零等级驱动的源光信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一输出信号是在放大器的输出处产生，所述放大器基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而接收第一输入。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述放大器为可调整增益放大器。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：
在产生所述第一输出信号之后将所述光发射器停用。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述第一输出信号转换为表示电压的数字信号以供处理器进行处理。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一输出信号及所述第二输出信号是在不同时间在放大器的输出处产生，所述放大器基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而在第一时间接收第一输入以产生所述第一输出信号，且所述放大器基于由所述第一所检测光信号调整的所述第三所检测光信号而在第二时间接收第二输入以产生所述第二输出信号。
11.根据权利要求1所述的方法，其中以第一等级驱动的所述源光信号为较低等级，且以第二等级驱动的所述源光信号为较高等级。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
在产生所述第二输出信号之后将所述光发射器停用。
13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述第二输出信号转换为表示电压的第二数字信号以供处理器进行处理。
14.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一输出信号、所述第二输出信号及所述第三输出信号是在不同时间在放大器的输出处产生，所述放大器基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而在第一时间接收第一输入以产生所述第一输出信号，所述放大器基于由所述第一所检测光信号调整的所述第三所检测光信号而在第二时间接收第二输入以产生所述第二输出信号，且所述放大器基于由所述第一所检测光信号调整的所述第四所检测光信号而在第三时间接收第三输入以产生所述第三输出信号。
15.根据权利要求3所述的方法，其中以第一等级驱动的所述源光信号为低等级，且以第二等级驱动的所述源光信号为高等级，其中所述高等级为所述低等级的至少两倍。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
在产生所述第三输出信号之后将所述光发射器停用。
17.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括：
将所述第三输出信号转换为第三数字电压信号以供处理器进行处理。
18.一种由光体积描记传感器装置执行的方法，所述方法包括：
致使光发射器产生以第一等级驱动的源光信号；
测量第一所检测光信号，所述第一所检测光信号表示在与用户的皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号；
将由所述光发射器驱动的所述源光信号增加到第二等级；
测量第二所检测光信号，所述第二光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的增加到所述第二等级的所述源光信号；及
基于差异而产生光体积描记样本，所述差异为所述第一所检测光信号及所述第二所检测光信号的函数。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
在将由所述光发射器驱动的所述源光信号增加到所述第二等级之后，将所述所驱动源光信号降低回到所述第一等级；及
测量第三所检测光信号，所述第三所检测光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号，其中所述差异进一步为所述第三所检测光信号的函数。
20.一种存储可执行指令的非暂时性计算机可读媒体，所述可执行指令用于在光体积描记传感器装置中移除信号的对应于周围光的分量，所述指令在被执行时致使一或多个处理器：
捕获第一所检测光信号，所述第一所检测光信号表示第一时间的周围光；
致使光发射器产生以第一等级驱动的源光信号；
捕获第二所检测光信号，所述第二所检测光信号表示在与用户的组织相互作用之后的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；
基于由所述第一所检测光信号调整的所述第二所检测光信号而产生第一输出信号；
致使所述光发射器产生以第二等级驱动的源光信号；
捕获第三所检测光信号，所述第三所检测光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的以所述第二等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；及
基于由所述第一所检测光信号调整的所述第三所检测光信号而产生第二输出信号。
21.根据权利要求20所述的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时进一步致使所述一或多个处理器：
致使所述光发射器产生以所述第一等级驱动的源光信号；
捕获第四所检测光信号，所述第四所检测光信号表示在与所述用户皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号加上所述第一所检测光信号；及
基于由所述第一所检测光信号调整的所述第四所检测光信号而产生第三输出信号。
22.根据权利要求20所述的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时进一步致使所述一或多个处理器：
激活光检测器以检测所述第一所检测光信号。
23.根据权利要求21所述的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时进一步致使所述一或多个处理器：
在产生所述第一输出信号、所述第二输出信号及所述第三输出信号之后将所述光发射器停用。
24.根据权利要求21所述的计算机可读媒体，其中以第一等级驱动的所述源光信号为较低等级，且以第二等级驱动的所述源光信号为不同于所述低等级的高等级。
25.根据权利要求21所述的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时进一步致使所述一或多个处理器：
将所述第一输出信号、所述第二输出信号及所述第三输出信号转换为数字电压信号以供处理器进行处理。
26.根据权利要求20所述的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时进一步致使所述一或多个处理器：
在移除所述第一输出信号与所述第二输出信号之间的共模偏移之后产生心率信号。
27.一种光体积描记传感器装置，其包括：
一或多个处理器；
非暂时性计算机可读媒体，其存储指令，所述指令在被执行时致使所述一或多个处理器：
致使光发射器产生以第一等级驱动的源光信号；
测量第一所检测光信号，所述第一所检测光信号表示在与用户的皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号；
将由所述光发射器驱动的所述源光信号增加到第二等级；
测量第二所检测光信号，所述第二光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的增加到所述第二等级的所述源光信号；及
基于差异而产生光体积描记样本，所述差异为所述第一所检测光信号及所述第二所检测光信号的函数。
28.根据权利要求27所述的光体积描记传感器装置，其中所述非暂时性计算机可读媒体存储额外指令，所述额外指令在被执行时致使所述一或多个处理器：
在将由所述光发射器驱动的所述源光信号增加到所述第二等级之后，将所述所驱动源光信号降低回到所述第一等级；及
测量第三所检测光信号，所述第三所检测光信号表示在与所述用户的皮肤相互作用之后的以所述第一等级驱动的所述源光信号，其中所述差异进一步为所述第三所检测光信号的函数。
29.根据权利要求27所述的光体积描记传感器装置，其进一步包括：
至少第一光检测器，其经配置以检测在与所述用户的皮肤相互作用之后的所述源光信号，所述至少第一光检测器将表示所述所检测源光信号的信号提供到包含低增益放大器的第一电路级。
30.根据权利要求29所述的光体积描记传感器装置，其进一步包括：
增益级电路，其经耦合以接收所述第一电路级的输出且将增益施加到所述第一电路级的所述输出。
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