如何用MCU設計可穿戴電子產(chǎn)品
出處：電子工程專輯 發(fā)布于：2014-10-09 08:56:11
“可穿戴”設備是指人體可穿戴的微型電子產(chǎn)品，通常與現(xiàn)有配飾（如手表）集成或者取而代之。在物聯(lián)網(wǎng)技術的支持下，該細分市場正迅猛發(fā)展，因此對于更小型化、更直觀的設備的需求也在快速提升。目前，智能手表、智能眼鏡以及體育與健身活動跟蹤器等體現(xiàn)出這一發(fā)展趨勢。除了消費類市場之外，醫(yī)療行業(yè)也對身體狀況與功能的監(jiān)控設備有著更高的需求。
可穿戴設備中重要的電子組件就是微控制器（MCU）。由于這些MCU不但需要尺寸小，而且還需要執(zhí)行更多功能，因此，集成成為了另一大要素。我們將會在本文中探討可穿戴電子系統(tǒng)的不同需求、如何根據(jù)有關需求細分市場、典型可穿戴設備中的不同組件和MCU如何滿足相關需求。
可穿戴設備的需求
美觀：可穿戴設備需要時尚漂亮，而且需要能夠搭配當前的時尚配飾，如裝飾品、手表、眼鏡等。美觀非常重要，以至于英特爾等半導體巨頭都在同時尚行業(yè)攜手打造時尚設備。
電容式觸摸感應技術是提高美感的關鍵技術。電容式用戶界面需要支持各種外形（包括曲面）、能夠防液體，以及支持厚的覆蓋層感應等。賽普拉斯的CapSense和TrueTouch技術使此類需求變得切實可行。
尺寸：如前所述，這種器件必須做到尺寸小，以便輕松集成到可穿戴設備。不過與此同時，設備還應當在相同空間集成更多功能。片上系統(tǒng)（SoC）和芯片級封裝（CSP）等技術有助于縮小尺寸。例如，賽普拉斯可以提供采用WLCSP等多種封裝選項的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）器件。
防水：可穿戴設備會被用戶帶到任何地方。因此，關鍵是這些設備的設計能夠抵抗環(huán)境條件，如水滴、濕氣、汗液等。
功耗：由于可穿戴設備是由電池供電，因此降低其功耗存在特殊挑戰(zhàn)。由于可穿戴設備大部分是監(jiān)控設備，與其它移動設備不同的是，它需要始終打開并且保持連接。例如，智能手表需要始終顯示時間，并通過藍牙等無線方式連接到手機，以便接收提醒；計步器需要一直計算步數(shù)并向手機應用；同樣，心率監(jiān)控器需要一直提供監(jiān)控和。不過由于設備需要降低整體尺寸，因此會從內(nèi)在限制電池容量。
這些設備需要以超低功率運行，以延長電池使用壽命。此項需求對MCU與固件算法提出了特殊要求。32位ARM架構是可穿戴設備常用的CPU技術，因為它能提供性能與高能效。另外可設計采用ANT+、低功耗藍牙（BLE）等無線技術實現(xiàn)低功耗。
無線通信：無線連接對于可穿戴設備而言非常重要，因為后者需要與一個或多個設備進行交互。根據(jù)類型和所提供的功能，此類設備需要支持不同的無線協(xié)議，如Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的專有協(xié)議等。一些設備需要支持多種協(xié)議。例如某種腕表采用專有無線協(xié)議與心率監(jiān)控胸帶通信，同時采用BLE與手機中的跑步應用進行通信。
選擇適當?shù)膽锰幚砥骰蛭⒖刂破?/STRONG>
除了需要應用處理器的信息娛樂設備之外，MCU可以充分滿足大多數(shù)可穿戴設備的需求。另外，MCU可在單個芯片中集成大部分功能。這對降低可穿戴設備的整體尺寸和BOM成本都具有重要作用。
舉例來說，ARM cortex-M控制器可以驅動簡單的腕帶，但是智能手表需要采用應用處理器，以便運行Android等復雜的操作系統(tǒng)。
如前所述，32位ARM處理器在可穿戴設備中非常受歡迎，因為其能夠提供性能與高能效。PSoC等現(xiàn)代控制器利用ARM架構的功能優(yōu)勢在單個芯片中集成了模擬和可編程數(shù)字功能，同時還采用ARM cortex-M內(nèi)核等。
一些設備采用獨立的協(xié)處理器把傳感器數(shù)據(jù)處理工作從主處理器上轉移出來。之所以需要這么做是因為設備可能具有需要實時分析以及CPU支持的傳感器數(shù)據(jù)負載。此功能稱為“傳感器集線器”或“傳感器融合”。圖1說明了傳感器集線器在可穿戴系統(tǒng)中的作用。
圖1:傳感器集線器在可穿戴系統(tǒng)中的作用。
操作系統(tǒng)：根據(jù)類型和所提供的功能，可穿戴設備可能需要、也可能不需要特定的操作系統(tǒng)。例如一個用于監(jiān)測溫度、采用3軸加速計測量運動以及用單色段式LCD顯示時間的簡單腕表可以運行輕量型RTOS,而用于擴展手機功能的智能手表需要運行Android等操作系統(tǒng)。同時，傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特殊固件。
市場細分
正確的市場細分使設計人員能夠開發(fā)合適的產(chǎn)品，同時幫助用戶選擇設備。表1根據(jù)設備功能列出了不同的細分市場。表格按細分市場的復雜性自上而下增加。
表1:可穿戴設備的市場細分
可穿戴電子設備中的組件
圖2給出了可穿戴系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)包含了我們前文所述的所有功能。
圖2:可穿戴電子系統(tǒng)
根據(jù)所采用的主處理器的類型，可以在單個處理器芯片中集成更多的外設功能。舉例來說，大部分的PSoC器件都可以輕松集成電容式感應功能，并且無需單獨的觸摸控制器。同樣，基于賽普拉斯Cortex M0的PSoC4集成了LCD驅動器。圖3給出了智能手表的方框圖，這是代可穿戴設備的典型例子。
圖3:典型的智能手表系統(tǒng)
可穿戴設備的重要子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集或傳感器子系統(tǒng)。根據(jù)器件的類型，其可能是只有幾個MEMS傳感器的簡單系統(tǒng)，也可能是采用專用傳感器集線器連接相關傳感器的復雜系統(tǒng)。MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運動的健身和健康設備中發(fā)揮著關鍵作用。這些傳感器又稱為運動傳感器。所有這些傳感器都是通過I2C或SPI通信接口提供數(shù)字式運動信息。此類傳感器的示例包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計和氣壓高度表。
模擬傳感器廣泛用于醫(yī)療保健設備中。此類傳感器示例包括心率監(jiān)控器、EEG等生物計量傳感器。模擬傳感器需要稱為模擬前端（AFE）的特殊組件。AFE包含運算放大器、濾波器和ADC,其用于將模擬信號調(diào)節(jié)并轉換成數(shù)字信號，以便于CPU處理。該功能有時可與CPU集成（比方說PSoc的設計就使得其通信功能可以直接用作傳感器集線器）。
還有一個重要的子系統(tǒng)是用戶界面（UI）系統(tǒng)。用戶如何與可穿戴設備交互是極其重要的考慮因素。為了限度地降低復雜性，交互應當盡可能地直觀。電容式觸摸感應是目前直觀的UI.根據(jù)相關應用的不同，可以采用多種方式實現(xiàn)電容式UI,如觸摸屏、按鍵與滑條等。
LED、蜂鳴器和振動電機等UI元件可以幫助實現(xiàn)設備向用戶提供的提醒與反饋。舉例來說，如圖3所示的智能手表設計連接到手機，需要在有消息時提醒用戶。
脈寬調(diào)制（PWM）對驅動這些元件的關鍵。PWM可用于實現(xiàn)調(diào)光等各種LED效果，而且還能提供實現(xiàn)觸覺反饋的各種振動效果。如果在固件中實現(xiàn)，這些技術需要的定時和頻繁的CPU處理。因此，關鍵是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。
作者介紹：
Sivaguru Noopuran（noopuran@gmail.com）是賽普拉斯半導體公司的產(chǎn)品市場營銷工程師，擁有5年多的經(jīng)驗。他的主要興趣是用戶界面產(chǎn)品和產(chǎn)品管理。
Vairamuthu Ramasamy是賽普拉斯半導體公司可編程系統(tǒng)部門的應用工程師，負責基于CapSense（電容式觸摸感應）技術的PSoC產(chǎn)品。他在印度欽奈理工學院獲得電子和通信工程學士學位。
Chethan Gowda是賽普拉斯半導體公司可編程系統(tǒng)部門的應用工程師。他在印度班加羅爾的BMS工程學院獲得電子和通信工程學士學位。
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