如何用MCU設(shè)計(jì)可穿戴電子產(chǎn)品

“可穿戴”設(shè)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(shù)的支持下，該細(xì)分市場正迅猛發(fā)展，因此對于更小型化、更直觀的設(shè)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(dòng)跟蹤器等體現(xiàn)出這一發(fā)展趨勢。除了消費(fèi)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(shè)備有著更高的需求。

可穿戴設(shè)備中最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(guān)需求細(xì)分市場、典型可穿戴設(shè)備中的不同組件和MCU如何滿足相關(guān)需求。

可穿戴設(shè)備的需求

美觀：可穿戴設(shè)備需要時(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。美觀非常重要，以至于英特爾等半導(dǎo)體巨頭都在同時(shí)尚行業(yè)攜手打造時(shí)尚設(shè)備。

電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。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(yīng)等。賽普拉斯的CapSense和TrueTouch技術(shù)使此類需求變得切實(shí)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(shè)備。不過與此同時(shí)，設(shè)備還應(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：由于可穿戴設(shè)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(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。不過由于設(shè)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(shè)備需要以超低功率運(yùn)行，以延長電池使用壽命。此項(xiàng)需求對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：無線連接對于可穿戴設(shè)備而言非常重要，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。

選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用處理器或微控制器

除了需要應(yīng)用處理器的高級信息娛樂設(shè)備之外，MCU可以充分滿足大多數(shù)可穿戴設(shè)備的需求。另外，最新MCU可在單個(gè)芯片中集成大部分功能。這對降低可穿戴設(shè)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(qū)動(dòng)簡單的腕帶，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處理器在可穿戴設(shè)備中非常受歡迎，因?yàn)槠淠軌蛱峁┳罴研阅芘c高能效。PSoC等現(xiàn)代控制器利用ARM架構(gòu)的功能優(yōu)勢在單個(gè)芯片中集成了高級模擬和可編程數(shù)字功能，同時(shí)還采用ARM cortex-M內(nèi)核等。

一些高級設(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”。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(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)測溫度、采用3軸加速計(jì)測量運(yùn)動(dòng)以及用單色段式LCD顯示時(shí)間的簡單腕表可以運(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。

市場細(xì)分

正確的市場細(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。表1根據(jù)設(shè)備功能列出了不同的細(xì)分市場。表格按細(xì)分市場的復(fù)雜性自上而下增加。

表1:可穿戴設(shè)備的市場細(xì)分

可穿戴電子設(shè)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(gè)處理器芯片中集成更多的外設(shè)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(yīng)功能，并且無需單獨(dú)的觸摸控制器。同樣，基于賽普拉斯Cortex M0的PSoC4集成了LCD驅(qū)動(dòng)器。圖3給出了智能手表的方框圖，這是第一代可穿戴設(shè)備的典型例子。

圖3:典型的智能手表系統(tǒng)

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。

模擬傳感器廣泛用于醫(yī)療保健設(shè)備中。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,其用于將模擬信號調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便于CPU處理。該功能有時(shí)可與CPU集成（比方說PSoc的設(shè)計(jì)就使得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。電容式觸摸感應(yīng)是目前最直觀的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。

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。舉例來說，如圖3所示的智能手表設(shè)計(jì)連接到手機(jī)，需要在有消息時(shí)提醒用戶。

脈寬調(diào)制（PWM）對驅(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。

作者介紹：

Sivaguru Noopuran（noopuran@gmail.com）是賽普拉斯半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品市場營銷工程師，擁有5年多的經(jīng)驗(yàn)。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(dǎo)體公司可編程系統(tǒng)部門的高級應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)基于CapSense（電容式觸摸感應(yīng)）技術(shù)的PSoC產(chǎn)品。他在印度欽奈理工學(xué)院獲得電子和通信工程學(xué)士學(xué)位。

Chethan Gowda是賽普拉斯半導(dǎo)體公司可編程系統(tǒng)部門的應(yīng)用工程師。他在印度班加羅爾的BMS工程學(xué)院獲得電子和通信工程學(xué)士學(xué)位。