芯片級(jí)尺寸的MCU如何適應(yīng)可穿戴設(shè)計(jì)中的尺寸限制？

　　消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)有無(wú)數(shù)種各類(lèi)用途的設(shè)備，從專(zhuān)業(yè)設(shè)備到個(gè)人消費(fèi)品。雖然存在性能和功能的差異，但是消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品往往遵循相同 的設(shè)計(jì)趨勢(shì)：設(shè)備功能變得越來(lái)越強(qiáng)大、體積小巧和省電?？纱┐髟O(shè)備集中體現(xiàn)了這一趨勢(shì)，它是一種便攜、電池供電、高集成度的設(shè)備，負(fù)責(zé)從高精度模擬測(cè)量到 直觀用戶界面的所有一切。可穿戴式設(shè)備開(kāi)發(fā)人員必須仔細(xì)的在多種集成電路（IC）中匹配產(chǎn)品的需求，有時(shí)還需要同時(shí)應(yīng)對(duì)相互矛盾的優(yōu)先選項(xiàng)。

　　例 如，讓我們仔細(xì)思考，在靈巧的可穿戴式設(shè)計(jì)中如何兼顧尺寸、電池壽命和功能，同時(shí)又不忽視可穿戴設(shè)備的特殊性：包括它們的個(gè)性化功能和吸引力。我們以“功 能單一”類(lèi)型的可穿戴設(shè)備為例——一個(gè)沒(méi)有屏幕、紐扣電池供電的計(jì)步器，可以在當(dāng)用戶需要運(yùn)動(dòng)時(shí)提醒用戶，同時(shí)也能夠保持跟蹤一整天的步數(shù)。一個(gè)簡(jiǎn)單的電 容感應(yīng)觸控接口實(shí)現(xiàn)用戶輸入，一個(gè)三色LED提供剛好夠用的富有表現(xiàn)力的輸出，這使產(chǎn)品可以提供方便且具吸引力的個(gè)性功能。這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示了功能強(qiáng)大的 IC如何塞入小型封裝中，有助于促進(jìn)創(chuàng)新和產(chǎn)品差異化。

　　我們的產(chǎn)品需求

　　讓我們先來(lái)勾畫(huà)出產(chǎn)品的基本需求。在定義了功能集之后，我們能夠選擇負(fù)責(zé)各項(xiàng)功能的組件。這是一款精簡(jiǎn)到只?；竟δ艿挠?jì)步器。沒(méi)有提供屏幕、蜂鳴器或者iPhone應(yīng)用程序，該設(shè)備有意突出它的簡(jiǎn)樸和小尺寸。它的用戶接口同樣簡(jiǎn)潔明了。

　　基本設(shè)計(jì)需求包括：

　　? 最小化可實(shí)現(xiàn)的外形尺寸：帶有外殼的產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)在各項(xiàng)尺寸上盡可能接近CR2032電池的大小，因此用戶能夠在口袋中攜帶該設(shè)備，或者掛到他們的鑰匙鏈上。

　　? 用戶輸入：在紐扣電池形狀殼體的一側(cè)，提供能夠識(shí)別如下輸入的電容觸摸接口：

　　o 滑動(dòng)：解除提示用戶需要起立的報(bào)警

　　o 輕敲并保持：開(kāi)啟新的一天（復(fù)位計(jì)步器）

　　o 輕敲：檢查一天中的步數(shù)

　　? 簡(jiǎn)單的輸出：在殼體某處裸露的LED提供所有輸出：

　　o 紅色：定時(shí)的短閃爍表示用戶已經(jīng)保持不動(dòng)太長(zhǎng)時(shí)間了

　　o 綠色雙閃：當(dāng)用戶開(kāi)始新一天時(shí)通過(guò)輕敲并保持動(dòng)作觸發(fā)

　　o 1秒鐘紅/黃/綠輸出：指示一天內(nèi)達(dá)到33%、66%和100%步數(shù)的百分比，在輕敲觸摸接口后持續(xù)幾秒鐘

　　如何實(shí)現(xiàn)小型化？

　　CR2032 電池的直徑是20mm，高度是3mm。很顯然，我們的系統(tǒng)必須比它稍微大些，但是我們?nèi)绾卧诂F(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的小型化呢？讓我們假設(shè)產(chǎn)品的塑料外殼能 夠做的非常薄，因此在直徑上它增加的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)5mm，同時(shí)易于支持電池更換。對(duì)于高度，我們?nèi)绾巫钚』撛O(shè)計(jì)的高度并保持大致紐扣電池那樣的尺寸呢？ 在產(chǎn)品的垂直堆疊中，它的高度由四種器件尺寸構(gòu)成：電池、印制電路板（PCB）、PCB上的器件和產(chǎn)品的塑料外殼。對(duì)于四層PCB來(lái)說(shuō)，PCB厚度大約為 0.5mm。而如何最小化焊接到該P(yáng)CB上的器件高度需要仔細(xì)進(jìn)行型號(hào)選擇。這時(shí)尋找高性能的芯片級(jí)尺寸封裝的器件對(duì)于我們的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

　　芯片級(jí)尺寸封裝的好處

　　晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）代表了制造和芯片組裝技術(shù)中多年持續(xù)進(jìn)步的成果。在WLCSP封裝中，硅被直接連接到封裝一側(cè)的焊球上，與之相反，舊有技術(shù)通過(guò)綁定線連接硅端口焊盤(pán)到封裝引腳。這種設(shè)計(jì)的影響是封裝能夠設(shè)計(jì)成寬度和高度都接近內(nèi)部硅片自身尺寸的大小。

　　IC 供應(yīng)商們爭(zhēng)相發(fā)布WLCSP的封裝支持現(xiàn)有的多種設(shè)備，從而獲得極小封裝類(lèi)型的好處。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是：一些廠商的硅片相當(dāng)大，以至于它在獲得更小尺寸 的封裝上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。來(lái)自Silicon Labs的EFM8SB1 MCU非常適合CSP封裝類(lèi)型，這是因?yàn)殡m然該MCU有極高的功能密度，但是它已經(jīng)適應(yīng)小封裝尺寸（例如3mm×3mm QFN封裝）。EFM8SB1 WLCSP封裝尺寸僅為1.78mm×1.66mm。

　　EFM8SB1 MCU成為這個(gè)設(shè)計(jì)和其他可穿戴設(shè)計(jì)的理想選擇，它的關(guān)鍵特性包括：

　　? 8位MCU提供超低功耗、高靈敏度電容感應(yīng)輸入。

　　? 片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘能夠周期的從超低功耗（~300nA）狀態(tài)喚醒系統(tǒng)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，這個(gè)時(shí)鐘的一個(gè)用途就是測(cè)量從最近一次走動(dòng)以來(lái)的時(shí)間，并發(fā)送活動(dòng)通知去鼓勵(lì)用戶站起來(lái)并走動(dòng)。

　　? 2-8kB閃存和512字節(jié)的RAM維持在整個(gè)低功耗周期內(nèi)，結(jié)合25MHz的8051內(nèi)核使這個(gè)小設(shè)備具有執(zhí)行邏輯和進(jìn)行多種系統(tǒng)響應(yīng)的能力。

　　接 下來(lái)是計(jì)步器的選擇。為了充分利用CSP封裝的MCU所帶來(lái)的超薄特性，所有板上的集成電路理論上也要選擇CSP封裝的器件。出于這個(gè)原因，我們的板上加 速計(jì)理論上也應(yīng)當(dāng)支持CSP封裝。最新發(fā)布的Bosch BMA355提供高集成度的傳感器，在片上實(shí)現(xiàn)多種三軸事件監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)SPI接口與EFM8 MCU進(jìn)行通信交互的事件。

　　因?yàn)閮蓚€(gè)IC器件以及必要的幾個(gè)分立被動(dòng)器件都能夠采用超薄封裝，因此產(chǎn)品的塑料外殼可制成超薄的并且靠近電容感應(yīng)面，從而優(yōu)化觸摸靈敏度。其產(chǎn)品外殼甚至能夠在靠近電容感應(yīng)焊盤(pán)區(qū)域有輕微的錐度，以壓縮板上PCB和板上器件之間形成微小的空間間隙。

　　圖1：帶有CSP MCU的可穿戴設(shè)備板垂直層疊圖

　　電路板布局

　　使用CSP封裝器件最大化的電路板空間，使得我們能夠在PCB上實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)接口。MCU和加速計(jì)應(yīng)集群分布在大體成圓形的PCB一側(cè)的邊緣，連同可以裸露的LED一起。當(dāng)然LED可能需要在設(shè)備的封裝殼上開(kāi)孔來(lái)展現(xiàn)。

　　為 了檢測(cè)手指滑動(dòng)，電路板必須有兩個(gè)電容傳感器，理論上是相同尺寸的兩個(gè)傳感器，沿著他們相同的邊沿輕微的交錯(cuò)開(kāi)。這兩個(gè)傳感器應(yīng)當(dāng)占去板上MCU側(cè)的大部 分面積，然而它們應(yīng)當(dāng)被第三個(gè)細(xì)小的傳感器圍繞，同時(shí)這第三個(gè)傳感器也圍繞著其他兩個(gè)傳感器。這第三個(gè)傳感器在用戶交互過(guò)程中提供我們MCU在進(jìn)行觸摸和 滑動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中所需要使用的關(guān)鍵信息。

　　圖2：擁有電容傳感器的可穿戴設(shè)備電路板布局

　　觸摸檢測(cè)

　　可穿戴設(shè)備的極度便攜性意味著這些設(shè)備通常放在身上或者手中。對(duì)于測(cè)量傳導(dǎo)物質(zhì)（例如手或者皮膚）接近的設(shè)備來(lái)說(shuō)，被設(shè)備檢測(cè)到的接近恒定的人體接觸可能導(dǎo)致觸摸檢測(cè)問(wèn)題。幸運(yùn)的是，該設(shè)計(jì)中所選擇的MCU和加速計(jì)的特點(diǎn)幫助開(kāi)發(fā)人員克服了這些挑戰(zhàn)。

　　雖然該系統(tǒng)有三個(gè)電容傳感器，但是實(shí)際上它有四個(gè)觸摸輸入。加速計(jì)提供了中斷驅(qū)動(dòng)的輕敲探測(cè)器，能夠通過(guò)固件檢測(cè)觸摸事件并且以多種方式提供接口給我們。憑借加速器輕敲檢測(cè)器的優(yōu)勢(shì)，由EFM8SB1 MCU檢測(cè)的觸摸經(jīng)過(guò)以下階段：

　　? 在設(shè)備邊沿處的邊界傳感器處檢測(cè)到正向增量，執(zhí)行一個(gè)輸入使用案例，這是用戶沿著設(shè)備的邊沿拿著設(shè)備，或者用手掌完全圍繞設(shè)備邊沿握持，馬上接下來(lái)是：

　　? 輕敲檢測(cè)事件由加速計(jì)發(fā)出，同時(shí)與下列事件保持一致

　　? 在中心的電容傳感器其一或全部檢測(cè)到顯著幅度的正向增量

　　MCU的固件可以通過(guò)Silicon Labs Simplicity Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的電容感應(yīng)固件庫(kù)實(shí)現(xiàn)所有電容感應(yīng)觸摸檢測(cè)和過(guò)濾。

　　低功耗功能

　　加 速計(jì)和MCU都能夠被配置在低功耗模式下操作。電容感應(yīng)固件庫(kù)使得EFM8SB1 MCU能夠進(jìn)入~300nA的睡眠模式，并且周期性的喚醒去檢查電容傳感器上的活動(dòng)事件。如果加速計(jì)發(fā)信號(hào)通知事件已經(jīng)檢測(cè)到并且數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，那么 MCU也能夠使用端口匹配喚醒事件去異步喚醒。

　　EFM8SB1 MCU將保持在低功耗狀態(tài)，并且僅僅消耗不到1μA電流，除非有下列情況之一發(fā)生：

　　? 觸摸檢測(cè)事件需要對(duì)電容感應(yīng)輸入監(jiān)視進(jìn)行更多響應(yīng)

　　? 加速計(jì)活動(dòng)事件（例如輕敲檢測(cè)或者腳步檢測(cè)中斷）需要MCU喚醒去服務(wù)這些中斷

　　? 運(yùn)動(dòng)通知事件，設(shè)備開(kāi)關(guān)LED去鼓勵(lì)用戶站起并走動(dòng)

　　與此同時(shí)，加速計(jì)被配置來(lái)實(shí)行最低的功耗操作狀態(tài)，同時(shí)僅僅在輕敲事件或者在三軸之一檢測(cè)到變化時(shí)才發(fā)送信號(hào)。但是片上緩存數(shù)據(jù)能夠最小化MCU和加速計(jì)之間的交互次數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化電池使用壽命。

　　MCU從加速計(jì)讀出緩沖數(shù)據(jù)之后，一些附加的檢查和分析必須被執(zhí)行以確定是否有后續(xù)步驟。一旦三軸數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在EFM8SB1設(shè)備上的歷史數(shù)據(jù)相比較后，MCU可以更新其計(jì)步器，并且快速返回到低功率狀態(tài)。

　　下一步？

　　本 示例中展示了可穿戴設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)“單一功能”類(lèi)型的終端產(chǎn)品。在示例中CSP尺寸的集成電路操作所帶來(lái)的功能密度、精確度和能效也說(shuō)明了如何使用和控制這類(lèi) IC。例如，在可穿戴設(shè)計(jì)中描述的產(chǎn)品可以被視為更大產(chǎn)品中的一個(gè)子系統(tǒng)，其中芯片尺寸的MCU可作為低功耗傳感器集線器運(yùn)行，去管理觸摸接口和加速計(jì)。 隨著硅芯片供應(yīng)商設(shè)法集成更多特性到更小封裝中，需要系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員充分利用這些創(chuàng)新去獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈感。