縮短設(shè)計周期的方案 快速的傳感器設(shè)計 快速的MCU設(shè)計

電子工程師在設(shè)計可穿戴設(shè)備的時候往往會受到諸多限制，如功耗、重量和尺寸等，而其中對于大多數(shù)工程師來說，最為關(guān)鍵的一個設(shè)計參數(shù)便是產(chǎn)品上市速度，即工程師將設(shè)計概念轉(zhuǎn)化為實際可用產(chǎn)品的速度。越快完成這項轉(zhuǎn)化，就能越早針對系統(tǒng)中的重要部分以及應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)與優(yōu)化。

絕大多數(shù)可穿戴設(shè)備都以傳感器為基礎(chǔ)，用以測量用戶的步數(shù)、心率、姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)。傳感器采集的數(shù)據(jù)由單個微控制器讀取并進(jìn)行基本處理和存儲，隨后進(jìn)行無線輸出，通常傳輸至智能手機(jī)上，而手機(jī)則進(jìn)一步將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至云端進(jìn)行處理和報告。

作為業(yè)內(nèi)首個融合電子商務(wù)與在線社區(qū)的高質(zhì)量電子元件與解決方案分銷商，e絡(luò)盟將從設(shè)計方法、設(shè)計模式及整個設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)的視角依次對這些模塊進(jìn)行分析，以尋求有助于縮短各個模塊設(shè)計用時的方法。

更快速的傳感器設(shè)計

從傳感器上獲取原始數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為有實際意義的信息以供使用，這絕非易事。

所有傳感器都面臨這種難題，無論是加速計、陀螺儀、磁力計、光伏計、溫度計、壓力計還是可穿戴應(yīng)用測量所使用的其他類型傳感器。工程師往往需要花費(fèi)數(shù)周時間用于開發(fā)實現(xiàn)線性化的算法、調(diào)整傳感器偏移并逐個校準(zhǔn)。盡管如此，仍有諸多方法來為這一進(jìn)程提速。以Microchip Technology Inc. （美國微芯科技公司）生產(chǎn)的一款運(yùn)動協(xié)處理器Microchip SSC7150 為例，它可以輕松地執(zhí)行基于嵌入式應(yīng)用的運(yùn)動功能，工程師無需精通傳感器技術(shù)，可加速上市進(jìn)程。該處理器采用小型6mm × 6mm QFN封裝，支持9軸傳感器融和輸入，包括3D加速計、3D陀螺儀以及3D磁力計。主應(yīng)用 MCU不再負(fù)責(zé)信息的收集和處理工作。與主MCU進(jìn)行I2C連接后，主MCU便可從設(shè)備上直接讀取準(zhǔn)確且已處理的位置和定位信息，從而實現(xiàn)更加快速的應(yīng)用開發(fā)。

采用這種設(shè)計方案時還需將單個傳感器與協(xié)處理器相連接。此外還有一種更加簡捷的設(shè)計，即將傳感器預(yù)裝在模塊之上。Microchip生產(chǎn)的模塊MM7150，整合了SSC7150運(yùn)動協(xié)處理器、Bosch BMC150（六軸數(shù)字羅盤）和BMG 160（三軸陀螺儀）。Microchip MM7150運(yùn)動模塊采用單面設(shè)計，在制造過程中可輕松焊接。

更快速的MCU設(shè)計

談過了傳感器，在可穿戴應(yīng)用的研發(fā)過程中，下一步就是MCU的選擇及固件的開發(fā)。

MCU用于控制應(yīng)用、讀取輸入、驅(qū)動輸出以及實現(xiàn)不同系統(tǒng)模塊之間的通信。在嵌入式應(yīng)用的設(shè)計流程中，軟件開發(fā)是最耗時也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。大多數(shù)情況下工程師會使用C語言編程。他們需要為周邊設(shè)備編制驅(qū)動，并借助復(fù)雜的中斷例程整合各種周邊設(shè)備。此外，他們還需要開發(fā)更高水平的應(yīng)用功能。通常那些運(yùn)行較快的軟件其性能會更高，而軟件的開發(fā)、測試和調(diào)試往往需要經(jīng)歷一個迭代過程，這都需要付出時間和努力不斷改進(jìn)。

在此階段，工程師若能縮短開發(fā)時間并實現(xiàn)尺寸與功耗的最優(yōu)化，將能夠切實推動可穿戴產(chǎn)品設(shè)計更快上市。市面上存在幾種方案有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)。Microchip以獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）理念為基礎(chǔ)，開發(fā)了大量8位和16位MCU，這樣一來，即使是簡單的設(shè)備也能夠更加廣泛地應(yīng)用于多種應(yīng)用當(dāng)中。配備大量智能型互聯(lián)CIP的典型設(shè)備能夠整合這些外設(shè)在無內(nèi)核的情況下自主實現(xiàn)各類功能。由于這些功能完全依賴硬件而非軟件來實現(xiàn)，因此使用CIP能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)8位MCU的系統(tǒng)性能，這就有利于簡化設(shè)計流程，并縮短軟件開發(fā)周期以及由此產(chǎn)生的測試和調(diào)試時間。此外，CIP可免除對復(fù)雜控制系統(tǒng)中各功能的驗證需要。

加快無線開發(fā)

多數(shù)可穿戴應(yīng)用都設(shè)有無線連接功能。某些醫(yī)療應(yīng)用或其他日志應(yīng)用在通過USB等工具下載收集的信息之前，可能會先直接存儲數(shù)據(jù)。但一般而言，這些應(yīng)用都是以無線方式連接。有時候，工程師可能還需要支持遠(yuǎn)距離操作的無線連接。

這種情況下，我們有多種選擇，比如遠(yuǎn)距離無線通信（LoRa）。然而多數(shù)情況下，可穿戴技術(shù)一般通過智能手機(jī)連接至個人網(wǎng)絡(luò)。在這類應(yīng)用中，藍(lán)牙無線技術(shù)是最普遍的無線連接方式。

藍(lán)牙無線技術(shù)讓可穿戴產(chǎn)品設(shè)計師能夠任意選用數(shù)十億種Bluetooth Smart Ready智能手機(jī)作為其產(chǎn)品主機(jī)設(shè)備。借助低功耗藍(lán)牙或Bluetooth Smart技術(shù)，應(yīng)用無需經(jīng)過硬件驗證便可直接連接至蘋果手機(jī)（包括iPhone 4S及其后代產(chǎn)品）。與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比，這些技術(shù)可讓產(chǎn)品設(shè)計更快上市，同時也為應(yīng)用設(shè)備能夠使用iBeacon協(xié)議提供了可能性。

就傳感器來說，一個適當(dāng)?shù)哪K便可極大地加速在設(shè)計中添加藍(lán)牙無線技術(shù)的進(jìn)程。所謂適當(dāng)模塊就是指RF認(rèn)證、天線設(shè)計與協(xié)議棧開發(fā)等已經(jīng)完成，工程師無需再為之耗費(fèi)任何時間與精力。

加快云集成速度

大多數(shù)可穿戴應(yīng)用需要連接到云端，這并不是一項輕松的任務(wù)。若要保證連接成功，就需要消除嵌入式設(shè)計人員與IT專業(yè)人員理念上的差異。

這兩組人員的工作處于完全不同的兩個世界。嵌入式設(shè)計人員關(guān)注字位和字節(jié)數(shù)，而IT專業(yè)人員關(guān)注的則是千兆與兆兆字節(jié)。這種差異化特點(diǎn)也存在于云連接嵌入式系統(tǒng)中的方方面面。

嵌入式工程師如何運(yùn)行云應(yīng)用呢？在設(shè)計過程中，他們需要綜合考慮服務(wù)器、存儲、安全性等諸多方面。慶幸的是，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在有許多服務(wù)可以簡化和加速云解決方案的開發(fā)。其中之一就是亞馬遜云服務(wù)（AWS），包括亞馬遜彈性計算云服務(wù)（EC2）以及新近推出的AWS物聯(lián)網(wǎng)平臺。EC2服務(wù)讓用戶能夠以多種不同配置方式獲取和配置任意數(shù)量的服務(wù)器資源。AWS物聯(lián)網(wǎng)平臺能夠讓連接設(shè)備方便地與云應(yīng)用及其他設(shè)備進(jìn)行安全交互。AWS物聯(lián)網(wǎng)平臺還能夠支持?jǐn)?shù)以億計的設(shè)備與信息，安全可靠地處這些理信息并發(fā)送到AWS端點(diǎn)及其他設(shè)備。藉此，設(shè)計人員無需管理任何基礎(chǔ)設(shè)施，便可以直接構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，用于收集、處理、分析連接設(shè)備生成的數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

總之，構(gòu)建可穿戴應(yīng)用涉及許多復(fù)雜的開發(fā)難題，但同時，也存在一些模塊、工具及生態(tài)系統(tǒng)能夠切實加快可穿戴應(yīng)用的開發(fā)。在可穿戴應(yīng)用開發(fā)方面，電子元件僅僅是更復(fù)雜系統(tǒng)依托的平臺，構(gòu)建這個平臺并使之快速運(yùn)行才是成功設(shè)計的關(guān)鍵所在。