MCU在可穿戴電子產(chǎn)品中的作用

 可穿戴技術(shù)現(xiàn)在是消費(fèi)類電子行業(yè)的熱門用語。每家消費(fèi)類電子產(chǎn)品公司都聲稱要推出可穿戴設(shè)備。它們是我們能夠穿戴的微型電子設(shè)備，通常與現(xiàn)有配飾(如：手表)集成或者取而代之。

隨著可穿戴設(shè)備行業(yè)的當(dāng)前變革，對(duì)于更小、更直觀的設(shè)備的需求正在迅猛增加。這個(gè)新興行業(yè)的當(dāng)前設(shè)備趨勢(shì)包括智能手表、智能眼鏡以及體育與健身活動(dòng)跟蹤器。除了消費(fèi)類電子產(chǎn)品，它同時(shí)也在醫(yī)療行業(yè)催生令人關(guān)注的需求。

顯然，這些設(shè)備所包含的電子產(chǎn)品需要“瘦身”。最重要的電子組件應(yīng)該是微控制器。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。

本文結(jié)束部分以賽普拉斯的旗艦器件——可編程片上系統(tǒng)(PSoC)舉例說明一種智能手表。

可穿戴設(shè)備的需求

我們首先看一下可穿戴設(shè)備的典型需求。

美觀：

可穿戴設(shè)備的最重要需求是美觀。最終產(chǎn)品需要時(shí)尚漂亮，而且需要能夠搭配當(dāng)前的時(shí)尚配飾，如：裝飾品、手表、眼鏡等。僅憑英特爾等半導(dǎo)體巨頭與時(shí)裝行業(yè)攜手打造時(shí)尚設(shè)備這一點(diǎn)就能夠說明此項(xiàng)需求至關(guān)重要。

電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)此，電容式用戶界面的關(guān)鍵需求是支持各種外形(包括曲面)，能夠防液體(避免誤判的觸摸)，以及支持厚的覆蓋層感應(yīng)等。賽普拉斯的CapSense 與TrueTouch技術(shù)能夠使此類需求變得切實(shí)可行。

尺寸：

如前所述，這些器件的明顯需求是尺寸小，以便輕松集成到可穿戴設(shè)備。但同時(shí)不可以減少或降低其展現(xiàn)的功能。因此，此類器件中采用的組件在保持小尺寸的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)在相同空間集成更多功能。片上系統(tǒng)(SoC)和芯片級(jí)封裝(CSP)等技術(shù)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(xiàng)的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件。

防水：

可穿戴設(shè)備會(huì)被用戶帶到任何地方。因此，關(guān)鍵是這些設(shè)備的設(shè)計(jì)能夠抵抗環(huán)境條件，如：水滴、濕氣、汗液等。

功耗：

毋庸置疑，可穿戴設(shè)備是由電池供電，因此，以下因素在其功耗降低方面帶來了特殊挑戰(zhàn)：

由于可穿戴設(shè)備大部分是監(jiān)控設(shè)備，與其它移動(dòng)設(shè)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(shí)間并通過藍(lán)牙等無線方式連接到手機(jī)，以便接收提醒;計(jì)步器需要一直計(jì)算步數(shù)并向手機(jī)應(yīng)用報(bào)告;同樣，心率監(jiān)控器需要一直提供監(jiān)控和報(bào)告。

由于需要降低整體尺寸，因此會(huì)從內(nèi)在限制電池容量。

這些設(shè)備需要以超低功率運(yùn)行，以延長(zhǎng)電池使用壽命。此項(xiàng)需求對(duì)MCU與固件算法提出了特殊要求。32位ARM架構(gòu)是可穿戴設(shè)備常用的CPU技術(shù)，因?yàn)樗芴峁┳罴研阅芘c高能效。另外可設(shè)計(jì)采用ANT+、低功耗藍(lán)牙(BLE)等無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗。

無線通信：

由于具有更高的靈活性與自由度，無線連接已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的一大自然特性。無線連接對(duì)于可穿戴設(shè)備而言更加重要，因?yàn)楹笳咝枰c一個(gè)或多個(gè)設(shè)備進(jìn)行交互。根據(jù)類型和所提供的功能，此類設(shè)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(shè)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(shí)采用BLE與手機(jī)中的跑步應(yīng)用進(jìn)行通信。

應(yīng)用處理器/嵌入式控制器：

主處理器的選擇僅僅取決于設(shè)備的類型與功能。例如，ARM cortex-M控制器可以驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的腕帶，但是智能手表需要采用應(yīng)用處理器，以便運(yùn)行Android等復(fù)雜的操作系統(tǒng)。

如前所述，32位ARM處理器常用于驅(qū)動(dòng)可穿戴設(shè)備，因?yàn)槠淠軌蛱峁┳罴研阅芘c高能效。賽普拉斯的PSoC等現(xiàn)代控制器完全利用ARM架構(gòu)的功能優(yōu)勢(shì)在單個(gè)芯片中集成了高級(jí)模擬功能、可編程數(shù)字功能以及ARM cortex-M內(nèi)核等。

一些高級(jí)設(shè)備采用獨(dú)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(zhuǎn)移出來。之所以需要這么做是因?yàn)樵O(shè)備可能具有需要實(shí)時(shí)分析以及CPU支持的傳感器數(shù)據(jù)負(fù)載。此功能稱為傳感器集線器或傳感器融合。下圖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(shè)備可能需要、也可能不需要特定的操作系統(tǒng)。例如，一個(gè)用于監(jiān)測(cè)溫度、采用3軸加速計(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)以及用單色段式LCD顯示時(shí)間的簡(jiǎn)單腕表可以運(yùn)行輕量型RTOS，而用于擴(kuò)展手機(jī)功能的智能手表需要運(yùn)行Android等高級(jí)操作系統(tǒng)。

同時(shí)，傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

市場(chǎng)細(xì)分

至此我們已經(jīng)了解了典型可穿戴設(shè)備的需求，相應(yīng)地進(jìn)行市場(chǎng)細(xì)分也十分重要。正確的市場(chǎng)細(xì)分使設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)合適的產(chǎn)品，同時(shí)幫助用戶選擇最佳設(shè)備。下表根據(jù)設(shè)備功能進(jìn)行市場(chǎng)細(xì)分。表格中細(xì)分市場(chǎng)的復(fù)雜性自上而下增加。

表1 – 可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)細(xì)分

可穿戴電子設(shè)備中的組件

現(xiàn)在我們來看一下典型可穿戴系統(tǒng)的組件。下圖給出了一個(gè)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。

請(qǐng)注意，根據(jù)所采用的主處理器的類型，可以在單個(gè)處理器芯片中集成更多的外設(shè)功能。例如，賽普拉斯大部分的PSoC器件都可以輕松集成電容式感應(yīng)功能，并且無需單獨(dú)的觸摸控制器。同樣地，賽普拉斯PSoC4(旗艦cortex M0器件)可以集成段式LCD驅(qū)動(dòng)器。

可穿戴設(shè)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(gè)MEMS傳感器的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，也可能是采用專用傳感器集線器連接相關(guān)傳感器的復(fù)雜系統(tǒng)。MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運(yùn)動(dòng)的健身和健康設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些傳感器又稱為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)信息。此類傳感器的示例包括3軸加速計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和氣壓高度表。

圖2 – 可穿戴電子系統(tǒng)

另一種傳感器類別是廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健設(shè)備的模擬傳感器。此類傳感器示例包括心率監(jiān)控器、EEG等生物計(jì)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(yùn)算放大器、濾波器和ADC，其用于將模擬信號(hào)調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便于CPU處理。此功能有時(shí)可與CPU集成，例如賽普拉斯的PSoC，其通信功能可以直接用作傳感器集線器。

還有一個(gè)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(shè)備交互是極其重要的考慮因素。為了最大限度地降低復(fù)雜性，交互應(yīng)當(dāng)盡可能地直觀。流行的UI技術(shù)是電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)，其經(jīng)驗(yàn)證為目前最直觀的UI。根據(jù)相關(guān)應(yīng)用的不同，可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)電容式UI，如：觸摸屏、按鍵與滑條等。另外，LED、蜂鳴器和振動(dòng)電機(jī)等UI元件可以幫助實(shí)現(xiàn)設(shè)備向用戶提供的提醒與反饋。例如，與手機(jī)連接的智能手表需要在有消息時(shí)提醒用戶。脈寬調(diào)制(PWM)是驅(qū)動(dòng)這些元件的關(guān)鍵。PWM可用于實(shí)現(xiàn)調(diào)光等各種LED效果，而且還能提供實(shí)現(xiàn)觸覺反饋的各種振動(dòng)效果。如果在固件中實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)需要精確的定時(shí)和頻繁的CPU處理。因此，關(guān)鍵是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。例如，賽普拉斯的PSoC4可以支持被稱為TCPWM的硬件PWM塊。

我們?cè)诒疚慕Y(jié)尾來看一下采用PSoC和外部組件能夠?qū)崿F(xiàn)的一種典型智能手表的方框圖。這樣能夠讓您了解系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)方案，以及PSoC能夠如何幫助快速開發(fā)解決方案。中間的藍(lán)色方框表示能夠集成到單個(gè)PSoC的功能。

圖3 – 典型的智能手表系統(tǒng)