CN114034384A - 一种光电采样组件及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光电采样组件及可穿戴设备，包括发光电路和采样电路；所述发光电路包括发光元件，所述采样电路包括光敏元件、储能元件和采样元件；在利用采样元件采样所述发光元件的发光信号的情况下：所述发光电路，被配置为控制所述发光元件产生第一预设时段的发光信号，并在经过所述第一预设时段后关闭所述发光元件；所述光敏元件，被配置为在所述第一预设时段内，基于所述发光信号所产生的光电流为所述储能元件充电；所述采样元件，被配置为在第二预设时段，基于充电后所述储能元件执行采样，其中所述第二预设时段大于所述第一预设时段。本公开的光电采样组件中发光元件无需在整个采样过程均发光，而仅发光极短的时长，极大降低了发光元件的功耗，提高可穿戴设备的续航能力。

Description

一种光电采样组件及可穿戴设备

技术领域

本公开涉及集成电路技术，更具体地，涉及一种光电采样组件及可穿戴设备。

背景技术

常用的光电发送接收电路包含发光二极管(Light-emitting diode，LED)和光电二极管(Photodiode，PD)。PD可以接收LED发送的光信号并输出与接收到的光信号强度成正比的光电流，为了方便采集该电流信号，一般使用配置为跨接电阻的运算放大器来接收光电二极管的电流并将其转换为电压，模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)采集运算放大器的输出电压并在固定时间内对其进行采样。

现有的跨接电阻的方式，当ADC需要采集T1时间内运算放大器的输出信号时，LED也需要同时工作T1时间，以持续发出光信号给PD，而运算放大器和ADC的工作电流为几百μA，而LED的工作电流有几十mA，系统功耗主要来自LED，因此LED的持续发光造成了系统功耗很大。

发明内容

旨在提供一种光电采样组件及可穿戴设备，在保证采样效果的同时，极大降低发光元件的功耗，提高可穿戴设备的续航能力。

在第一方面，本公开的实施例提供了一种光电采样组件，包括发光电路和采样电路；所述发光电路包括发光元件，所述采样电路包括光敏元件、储能元件和采样元件；在利用采样元件采样所述发光元件的发光信号的情况下：所述发光电路，被配置为控制所述发光元件产生第一预设时段的发光信号，并在经过所述第一预设时段后关闭所述发光元件；所述光敏元件，被配置为在所述第一预设时段内，基于所述发光信号所产生的光电流为所述储能元件充电；所述采样元件，被配置为在第二预设时段，基于充电后所述储能元件执行采样，其中所述第二预设时段大于所述第一预设时段。

在一些实施例中，在利用所述采样元件对环境光信号进行采样的情况下：所述光敏元件，还被配置为基于所述环境光信号所产生的光电流为所述储能元件充电第三预设时段；所述采样元件，还被配置为在第四预设时段，基于充电后所述储能元件执行采样，其中所述第四预设时段大于所述第三预设时段。

在一些实施例中，在所述第三时段不等于所述第一预设时段的情况下，为采样的环境光信号配置相应的权重，且所述第三时段越短权重越大。

在一些实施例中，所述采样电路还包括放大器；所述放大器的输出端连接至所述储能元件的第一端，所述放大器的反向输入端连接至所述储能元件的第二端，所述放大器的反向输入端连接至所述光敏元件的负极，所述放大器的同向输入端接入共模电压；所述储能元件还被配置为在充电后，为所述放大器提供输入电压，以使得所述采样元件在所述第二预设时段基于所述放大器的输出信号执行采样。

在一些实施例中，在经过所述第一预设时段后关闭所述光敏元件，以停止为所述储能元件充电。

在一些实施例中，所述发光电路还包括驱动子电路，所述驱动子电路被配置为，根据控制信号驱动所述发光元件发光或者关闭所述发光元件。

在一些实施例中，所述采样元件为sigma-delta ADC。

在一些实施例中，所述储能元件为电容元件。

在第二方面，本公开的实施例提供了一种可穿戴设备，包括本公开各实施例所述的光电采样组件。

利用根据本公开的各个实施例的一种光电采样组件及可穿戴设备，发光元件可以仅产生第一预设时段的发光信号，并对储能元件执行充电，在发光元件关闭后，采样元件可以基于充电后的储能元件来完成采样，从而发光元件无需在整个采样过程均发光，而仅发光极短的时长，极大降低了发光元件的功耗，提高可穿戴设备的续航能力。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1示出根据本公开实施例的光电采样组件的基本结构示意图；

图2示出本公开应用于PPG检测的一次完整测量的采集曲线示意图；

图3示出根据本公开实施例的光电采样组件的一种具体的电路结构示意。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。

本公开的实施例提供了一种光电采样组件，如图1所示，包括发光电路1和采样电路2；所述发光电路1包括发光元件，例如发光元件可以是LED101，所述采样电路包括光敏元件、储能元件202和采样元件203，其中光敏元件可以是光电二极管PD 201。PD 201可以在收到发光信号的情况下，将光信号转换为电信号，并且PD 201输出的电流的大小与接收到的来自LED101或者外界环境光的光强成正比，例如LED 101发光信号强于环境光，PD201在LED101发光下和环境光下所产生的电流是不同的，一般情况下，LED101发光下所产生的电流要强于环境光下所产生的电流，由此采样元件203可以采样获得不同的信号。

在利用采样元件203采样所述发光元件的发光信号的情况下：所述发光电路2，被配置为控制所述发光元件产生第一预设时段的发光信号，并在经过所述第一预设时段后关闭所述发光元件。也即本示例中LED 101可以仅在该第一预设时段发光，而经过第一预设时段之后直接关闭LED 101。

所述光敏元件，被配置为在所述第一预设时段内，基于所述发光信号所产生的光电流为所述储能元件202充电。也即在该第一预设时段内，由于LED101处于发光状态，因此光敏元件PD 201可以产生光电流，通过所产生的光电流为储能元件202进行充电。在一些实施例中，可以在经过所述第一预设时段后关闭所述光敏元件，以停止为所述储能元件202充电。例如可以在充电回路中设置开关(图中未示出)，也可以将开关集成在光敏元件中，来执行相应的控制，具体可以根据实际需要设置。

所述采样元件203，被配置为在第二预设时段，基于充电后所述储能元件执行采样，其中所述第二预设时段大于所述第一预设时段。在经过第一预设时段的充电之后，储能元件202具有相应储能参数，例如当前的电压值等，由此可以通过采样元件203来对充电后的储能元件的储能参数执行采样，从而获得目标信号。

作为本申请的一种应用场景，可以应用于可穿戴设备的PPG信号检测中。PPG传感器可以发射光，例如红光、绿光、红外光等，可以通过LED来发光。PPG传感器还包括光敏元件，采集光信号，并将光信号转变为电流信号。当PPG传感器发射的光，透过皮肤组织然后再反射到PPG传感器的光敏元件时，光照会有一定的衰减的。像肌肉、骨骼、静脉和其他连接组织等等对光的吸收是基本不变的(前提是测量部位没有大幅度的运动)，但是血液不同，由于动脉里有血液的流动，那么对光的吸收自然也有所变化。当把光转换成电信号时，由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，得到的信号就可以分为直流DC信号和交流AC信号。提取其中的AC信号，就能反应出血液流动的特点。但环境光的存在，会使得上述光敏元件得到的信号会受到环境光的干扰。因此，需要测量在环境光下，光敏元件得到的环境光的反射回来的信号。扣除环境光的影响，才能得到发射光对应的直流DC信号和交流AC信号。

如图2所示的时序示意图中，光源曲线表示PPG传感器的LED可以发射光的时间段。采样曲线，第一个宽脉冲指对环境光时进行测量，第二个宽脉冲指对LED发光时进行测量，一次完整的PPG信号检测过程包括对环境光和对LED发光的测量，而对LED发光的测量的总时间为tpw。现有技术中对LED发光时进行测量需要让LED在tpw时间内均进行发光，功耗较高。

利用本公开的光电采样组件，发光元件可以仅产生第一预设时段的发光信号，并对储能元件执行充电，在发光元件关闭后，采样元件可以基于充电后的储能元件来完成采样，例如一次对LED发光进行的测量中，第一预设时段+第二预设时段＝tpw，由此发光元件无需在整个采样过程均发光，而仅发光极短的时长，极大降低了发光元件的功耗，提高可穿戴设备的续航能力。

在一些实施例中，如图1所示，所述采样电路2还包括放大器AMP 204；所述放大器AMP 204的输出端连接至所述储能元件202的第一端，所述放大器AMP 204的反向输入端连接至所述储能元件202的第二端，所述放大器AMP 204的反向输入端连接至所述光敏元件的负极，所述放大器AMP 204的同向输入端接入共模电压；所述储能元件202还被配置为在充电后，为所述放大器提供输入电压，以使得所述采样元件203在所述第二预设时段基于所述放大器AMP 204的输出信号执行采样。

在一些实施例中，在利用所述采样元件203对环境光信号进行采样的情况下：所述光敏元件，还被配置为基于所述环境光信号所产生的光电流为所述储能元件202充电第三预设时段；所述采样元件203，还被配置为在第四预设时段，基于充电后所述储能元件202执行采样。对应于PPG信号检测的场景中，例如需要对环境光进行采样的情况下，可以直接利用采样电路2完成。PPG信号检测需要去除环境关的干扰，可以利用采样的LED光源信号来减去采集的环境光信号，从而获得PPG信号。由于采样环境光信号的情况下，不需要LED光源工作，因此不会产生LED光源引起的额外的功耗。同时为了保证所采集的信号的可比性，利用所述采样元件203对环境光信号进行采样的情况下，可以利用光敏元件产生的光电流为储能元件202充电第三预设时段。由于光敏元件输出的电流的大小与其接收到的光强成正比，因此采集环境光信号的情况下，所产生的光电流会小于LED光源的直射。表现在对储能元件202充电中，例如在第三预设时段与第一预设时段相等，则在相同的时段内，充电后的储能参数是不同的，例如电压相比LED光源的直射会明显减小。由此可以对该电压在第四预设时段进行采样，从而可以将两个采集的发光信号与环境光信号做差，即可获得所需的目标信号。具体的第三预设时段与第四预设时段的可以与第一、第二预设时段相等或不相等，在不相等的情况下，可以为采集的环境光信号设置相应的权重，例如第三时段越短权重越大，第三时段越长权重越小，从而可以灵活设置对环境光和采集LED发光的时间。

在一些实施例中，如图1所示，所述发光电路还包括驱动子电路，所述驱动子电路被配置为，根据控制信号驱动所述发光元件发光或者关闭所述发光元件。通过设置驱动能够有效根据采样控制信号来控制发光元件的发光和关闭。

在一些实施例中，所述采样元件为sigma-delta ADC。采样PPG光电信号，需要很高的信噪比，使得可以采样到微弱信号，因此可以采用低功耗高精度的sigma-delta ADC。当PPG传感器的发光元件发光时，其功耗很大，比如其电流可以达到几十mA，甚至100mA，200mA以上。采样元件为sigma-delta ADC能够起到控制功耗的效果，sigma-delta ADC功耗相对较小，比如其工作电流可以是100uA,200uA,500uA,几mA等。同时为了能通过积分或滤波去除高频sigma-delta调制噪声，以及减少电路噪声，可以采集较多的采样样点。为了使sigma-delta ADC有很好的信噪比(比如120db，130db，140db等)，第二预设时段需要有较长的时长(比如100us，200us，400us等)；而为了使整个系统有较低的功耗，要减少发光元件发光的持续时间，即第一预设时段要短(比如可以是10us，20us等)。

本发明中所述第二预设时段长于所述第一预设时段，不仅使得整个系统有较低的功耗，还使得sigma-delta ADC有很好的信噪比，从而能分辨微弱的光电信号。

在一些实施例中，所述储能元件为电容元件。可以是单个指定容量的电容，也可以是电容的串联或者并联的结构，具体可以根据实际需要来设定。电容元件能够实现充电并在充电后进行电压保持，从而为放大器提供输入电压，来供采样元件执行采样。

本实施例还提出一种光电采样组件的实施案例，如图3所示，包括发光电路1和采样电路2；所述发光电路1包括发光二极管LED 101，所述采样电路1包括光电二极管201、反馈电容2021和ADC 2031。PD 201可以在收到发光信号的情况下，将光信号转换为电信号，并且PD 201输出的电流的大小与接收到的来自LED 101或者外界环境光的光强成正比，例如LED 101发光信号强于环境光，PD 201在LED 101发光下和环境光下所产生的电流是不同的，一般情况下，LED 101发光下所产生的电流要强于环境光下所产生的电流，由此ADC2031可以采样获得不同的信号，ADC 2031为sigma-delta ADC。

PD 201接收LED 101发出的光信号，输出光电流对反馈电容2021充电，充电时间可以通常为T2(例如10μs)，LED 101只需要在反馈电容2021充电的T2(10μs)时段内工作，其余时间关闭LED 101，关闭LED 101可以通过驱动子电路102实现。在关闭LED 101之后，反馈电容2021处于未充电的状态，此时反馈电容2021电压保持，并为放大器AMP 204提供输入电压。

此时当sigma-delta ADC采集放大器AMP 204的输出信号时，LED不需要同时工作，当LED不工作时，不会对反馈电容充电，运算放大器的输出信号就固定在一个恒定值。当采用sigma-delta ADC采集运算放大器的输出信号，为了使sigma-delta ADC采集后的信号经过下采样及滤波后有较好的信噪比，sigma-delta ADC需要较长时间T3(例如100μs)的采样时长，此时sigma-delta ADC可以较长时间T3地采样放大器AMP 204的输出信号。

由此通过设置反馈电容2021，LED可以工作较短时间T2(比如10us)，而同时也能满足sigma-delta ADC需要较长时间T3(比如100us)的采样时长。对应于图2中，对一次发光信号的测量的时长为tpw＝T2+T3，利用本公开的方案LED仅工作10us，相比工作一次测量极大缩短了LED的工作时长。由于LED发射光工作时的功耗远大于其它电路功耗，相对于LED工作时长跟sigma-delta ADC一样，当LED工作时长是sigma-delta ADC采样时长的1/10时，将整体电路工作时的功耗降低至接近1/10。因此，本公开的光电采样组件可以大幅降低整体电路工作时的功耗降。

在第二方面，本公开的实施例提供了一种可穿戴设备，包括本公开各实施例所述的光电采样组件。本公开的可穿戴设备可以是手表、手环、耳机等设备，基于这些可穿戴设备利用获取到的PPG信号实现心率检测或/和血氧检测。通过采用本公开各实施例所述的光电采样组件，能够降低可穿戴设备的整体功耗，提高可穿戴设备的续航能力。

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上实施例仅为本公开的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本公开的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光电采样组件，其特征在于，包括发光电路和采样电路；

所述发光电路包括发光元件，所述采样电路包括光敏元件、储能元件和采样元件；

在利用采样元件采样所述发光元件的发光信号的情况下：

所述发光电路，被配置为控制所述发光元件产生第一预设时段的发光信号，并在经过所述第一预设时段后关闭所述发光元件；

所述光敏元件，被配置为在所述第一预设时段内，基于所述发光信号所产生的光电流为所述储能元件充电；

所述采样元件，被配置为在第二预设时段内基于充电后所述储能元件执行采样，其中所述第二预设时段长于所述第一预设时段。

2.如权利要求1所述的光电采样组件，其特征在于，在利用所述采样元件对环境光信号进行采样的情况下：

所述光敏元件，还被配置为基于所述环境光信号所产生的光电流为所述储能元件充电所述第三预设时段；

所述采样元件，还被配置为在所述第四预设时段，基于充电后所述储能元件执行采样，其中所述第四预设时段大于所述第三预设时段。

3.如权利要求2所述的光电采样组件，其特征在于，在所述第三时段不等于所述第一预设时段的情况下，为采样的环境光信号配置相应的权重，且所述第三时段越短权重越大。

4.如权利要求1所述的光电采样组件，其特征在于，所述采样电路还包括放大器；

所述放大器的输出端连接至所述储能元件的第一端，所述放大器的反向输入端连接至所述储能元件的第二端，所述放大器的反向输入端连接至所述光敏元件的负极，所述放大器的同向输入端接入共模电压；

所述储能元件还被配置为在充电后，为所述放大器提供输入电压，以使得所述采样元件在所述第二预设时段基于所述放大器的输出信号执行采样。

5.如权利要求1或2所述的光电采样组件，其特征在于，在经过所述第一预设时段后关闭所述光敏元件，以停止为所述储能元件充电。

6.如权利要求1所述的光电采样组件，其特征在于，所述发光电路还包括驱动子电路，所述驱动子电路被配置为，根据控制信号驱动所述发光元件发光或者关闭所述发光元件。

7.如权利要求1所述的光电采样组件，其特征在于，所述采样元件为sigma-delta ADC。

8.如权利要求1所述的光电采样组件，其特征在于，所述储能元件为电容元件。

9.一种可穿戴设备，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的光电采样组件。

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