眾廠(chǎng)商熱議可穿戴設備的技術(shù)發(fā)展

高能效與節電

小尺寸和低功耗是可穿戴設備的重中之重

　　手腕佩戴的健身和健康設備，包括智能手表，這些設備不僅具有計步功能，而且提供相關(guān)的健身/健康數據。其中可能包括運動(dòng)強度分析、基本心率和心率變異性等參數?，F在的關(guān)鍵元件能夠高精度測量不同運動(dòng)狀態(tài)下的心率，同時(shí)功耗較低、電池壽命較長(cháng)。將來(lái)的發(fā)展趨勢是提供更多的生物檢測功能，從而實(shí)現更全面的健康評估，而設計者需要在小尺寸、低功耗方面做更多的優(yōu)化。用于生命體征監測的可穿戴設備發(fā)展很快。此類(lèi)設計的有些方面非常關(guān)鍵，包括低功耗、小尺寸以及設計簡(jiǎn)單性。

　　Maxim致力于為客戶(hù)提供創(chuàng )新的可穿戴解決方案。例如，我們在可穿戴健身和健康應用領(lǐng)域的IP和知識積累，允許我們在微小、低功耗封裝中集成多種技術(shù)。例如，Maxim的MAX30101脈搏血氧儀和心率集成傳感器模塊就是一款超低功耗的可穿戴健身和健康應用。器件尺寸極小、容易設計，滿(mǎn)足苛刻的上市時(shí)間要求，適用于要求加快可穿戴和健康產(chǎn)品上市時(shí)間的系統設計者。超低功耗方案提供完備的系統，節省空間，使移動(dòng)及可穿戴設備的設計過(guò)程變得輕松。

能量采集和無(wú)線(xiàn)充電增強可穿戴設備實(shí)用性

　　除了集成更多傳感器和功能，第三代可穿戴設備還需要能在兩次充電之間使用許多天的時(shí)間。

　　為此，許多制造商都在尋找用于補充電池電量，甚至幫助給可穿戴設備充電的創(chuàng )新途徑，如能量采集和無(wú)線(xiàn)充電。這兩種技術(shù)的發(fā)展速度幾乎與可穿戴設備市場(chǎng)一樣快;前者使用包括光伏、熱電和振動(dòng)發(fā)電機等技術(shù)來(lái)提供小而適用的電能水平，而后者可提取背景或直達 RF 波中存在的能量并將其轉化為電。這兩種技術(shù)都呈現出光明的前景，并且將來(lái)有可能在可穿戴設備市場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。但目前最有可能的解決方案依然是可再充電的化學(xué)電池，這些電池盡管需要充電，但只有它們可以為采用無(wú)線(xiàn)連接的小型可穿戴設備提供其所需的能量密度。

　　到目前為止，可穿戴設備最廣泛使用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)是藍牙，具體而言是最新的低能耗(Low Energy)藍牙技術(shù)。像開(kāi)放標準無(wú)線(xiàn)協(xié)議的其他例子一樣，安全性也是藍牙規范不可缺少的組成部分，其最新版本(4.2)推出了一系列安全增強。然而，隨著(zhù)可穿戴設備從運動(dòng)跟蹤器發(fā)展成為醫學(xué)監測器，對更高安全性的需求也在增加。對于分享敏感醫學(xué)數據的解決方案，制造商和消費者對安全性都提出高要求，所以Dialog在其針對可穿戴設備技術(shù)的解決方案中采用了加密技術(shù)，確保數據即使在無(wú)線(xiàn)鏈路受到黑客入侵時(shí)仍然是安全的。

低功耗無(wú)線(xiàn)電單芯片系統可提供更好的用戶(hù)體驗

　　智能手環(huán)、手表等可穿戴產(chǎn)品如今仍是可穿戴設備中占比較大的產(chǎn)品。預期未來(lái)這類(lèi)產(chǎn)品將會(huì )增加諸如支付服務(wù)等更多功能，更多不同類(lèi)型的傳感器，工作待機時(shí)間更長(cháng)，產(chǎn)品外形更小更輕巧。如今，可穿戴設備新添加如支付服務(wù)、定位追蹤、精度更高的活動(dòng)追蹤、心率等有關(guān)健康數據等功能開(kāi)始受到關(guān)注。除了運用手機、平板等作為硬件設備將運動(dòng)數據上傳到云端界面外，將來(lái)穿戴設備也可通過(guò)網(wǎng)關(guān)路由器到云端服務(wù)，滿(mǎn)足行業(yè)內的應用。

　　Nordic半導體致力于發(fā)展低功耗無(wú)線(xiàn)電單芯片系統。當中最新第三代藍牙系列nRF52使用M4F 64MHz核，具備良好處理能力，附帶512kB閃存與64kB RAM的配置，可讓穿戴產(chǎn)品處理更復雜的運動(dòng)、心率等傳感器算法，以及未來(lái)IPv6的數據包的處理。集成的NFC可使產(chǎn)品在藍牙配對時(shí)使用戶(hù)得到更安全簡(jiǎn)單的操作。nRF52系列也會(huì )支持Bluetooth 5.0標準。同時(shí)，Nordic自主研發(fā)的藍牙協(xié)議棧S132 SoftDevice更能提升低功耗藍牙資料傳輸量，縮短穿戴設備資料上傳云端的時(shí)間，提供更良好的用戶(hù)體驗。

可穿戴設備需要低功耗和長(cháng)續航時(shí)間

　　可穿戴設備是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的組成部分，它們與用戶(hù)的智能手機或平板電腦相連，由單芯鋰離子或鋰聚合物電池組，或者兩節堿性、鎳鎘或鎳氫電池供電。兩個(gè)主要的可穿戴設備類(lèi)別是智能手表和健身跟蹤設備，前者如Apple Watch和三星Gear，后者如Fitbit Blaze和小米手環(huán)2。隨著(zhù)可穿戴設備越來(lái)越流行，消費者關(guān)心其設備單次充電能使用多長(cháng)時(shí)間。長(cháng)電池續航時(shí)間是每個(gè)消費者在做出購買(mǎi)決定時(shí)最先考慮的因素之一。

　　硬件小型化、傳感器技術(shù)和人工智能算法領(lǐng)域的持續進(jìn)展，最終將幫助把可穿戴設備帶到對抗糖尿病、心臟病和癌癥等慢性疾病的最前線(xiàn)。一項最新市場(chǎng)研究報告稱(chēng)，這些技術(shù)進(jìn)步將使可穿戴設備發(fā)展到這樣的水平——智能手表將能夠提前幾天警告配戴者注意中風(fēng)或心臟病發(fā)作的危險。同時(shí)，隨著(zhù)消費者看到可穿戴設備對于監測心率、卡路里消耗、睡眠模式、步行和鍛煉活動(dòng)等的好處，現在的可穿戴設備有望繼續穩步發(fā)展。

　　Intersil的創(chuàng )新自適應脈沖頻率調制(PFM)IP和升壓-降壓穩壓解決方案，解決了目前可穿戴設備設計中最具挑戰性的問(wèn)題，包括實(shí)現對系統電源和外圍設備(如Wi-Fi、藍牙、內存模塊和LCD面板)的高效電源管理。Intersil的升壓-降壓穩壓器IC提供業(yè)內領(lǐng)先的效率、降壓與升壓模式間的平滑轉換和對大負載階躍的快速瞬態(tài)響應——所有這些優(yōu)點(diǎn)對可穿戴設備制造商都極具吸引力。

運用休眠狀態(tài)降低可穿戴設備功耗

　　為了保證智能可穿戴終端更長(cháng)的待機時(shí)間，可以讓設備或部分功能模塊在需要的情況下激活，而在其他大部分情況下處于耗電量極低的休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，芯片或功能模塊的電流水平保持在非常低的水平;而在激活狀態(tài)下，芯片或功能模塊的電流需要維持正常的功能。表1列舉了兩種常見(jiàn)智能穿戴電子設備的通信芯片的信號水平?？梢钥吹?，激活狀態(tài)下的電流可以達到休眠狀態(tài)下的幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)倍!這是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)范圍。

　　為了更好地評估休眠模式下的電流/電壓大小，測量?jì)x器只能以更高的精度才能滿(mǎn)足要求。這是一個(gè)測量難點(diǎn)——絕對幅度低。另一個(gè)難點(diǎn)是要在幾萬(wàn)倍動(dòng)態(tài)范圍的電流信號之間進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)切換。要對這種大動(dòng)態(tài)范圍的切換進(jìn)行測量，則給測量?jì)x器提出了更高的挑戰。

　　綜合以上兩個(gè)難點(diǎn)，智能可穿戴電子設備對測量?jì)x器的要求可以總結為：

　　1)儀器本身的噪聲低;2)大的動(dòng)態(tài)范圍;3)在各個(gè)量程之間能無(wú)縫切換;4)大帶寬。

　　是德科技(原安捷倫電子測量事業(yè)部)各種精度級別的測試方案能幫助工程師滿(mǎn)足不同精度和帶寬要求。具有專(zhuān)利的無(wú)縫量程切換功能讓工程師能輕松面對超大動(dòng)態(tài)范圍，觀(guān)察大信號的同時(shí)，也能洞察小信號的變化。?

IP

可穿戴產(chǎn)品對安全性需求越來(lái)越高

　　ARM整個(gè)生態(tài)系統都致力于在電池和散熱或是整個(gè)設備面積受限的情況下為消費者帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗，提供更好的性能。這個(gè)是非常重要的。我們看到目前超過(guò)95%的可穿戴設備采用了ARM技術(shù)。

　　除此以外，我們發(fā)現可穿戴產(chǎn)品對安全性的需求越來(lái)越高?？纱┐髟O備采集了很多個(gè)人信息，比如運動(dòng)信息、位置信息、個(gè)人醫療信息、支付信息等。所以，對于這些信息的數據保護非常重要，這會(huì )給消費者帶來(lái)非常好的用戶(hù)體驗。

　　我們也看到每個(gè)穿戴設備都有自己的安全機制。我們希望可以提供一些比較通用的解決方案，在整個(gè)API的層面，而不僅僅是在CPU的硬件部分。去年10月，我們也將TrustZone技術(shù)拓展至ARMv8-M。 TrustZone 技術(shù)為處理器分區提供系統范圍的安全方法，通過(guò)隔離硬件資源與軟件，創(chuàng )造一個(gè)“安全的”環(huán)境，抵御軟件攻擊。對于那些對于操作系統的安全(safety)和安全性(security)都有著(zhù)嚴格要求的設備而言，TrustZone能夠在一個(gè)受到信任的環(huán)境里對安全性應用進(jìn)行隔離和執行，其執行優(yōu)先級高于在普通環(huán)境里的非安全性應用。此外，我們的TrustZone安全附加中間件(Middleware)能夠向軟件公司提供附加價(jià)值。它可以移到不同的處理器上，這使得客戶(hù)在他們的商業(yè)模式或者是可支持的處理器上都有更多的彈性，讓他們同時(shí)可以處理更多的訂單。

　　另外，對于可穿戴來(lái)講，一直在線(xiàn)的連接是非常重要的。正如ARM為手機提供了一系列解決方案一樣，在可穿戴設備方面，ARM也提供了一系列技術(shù)，包括了Cortex-M、Cortex-A、GPU、藍牙解決方案等，有力地支持了可穿戴設備的創(chuàng )新。

低功耗是可穿戴設備必備性能

　　在設計可穿戴SoC中，需要考慮的因素顯然依據具體應用的不同而有巨大差別，但是不論什么應用，將功耗降至最低是非常關(guān)鍵的。為了最大限度延長(cháng)電池壽命，系統中的每一個(gè)因素的設計都應考慮到低功耗的實(shí)現。

　　連接性是一個(gè)非常重要的因素，對于可穿戴設備，無(wú)線(xiàn)連接的種類(lèi)基于應用的不同而各不相同。此外，即使是同一個(gè)設備，也可能有多重功耗標準。對于可穿戴設備的控制可通過(guò)藍牙來(lái)實(shí)現，而這就要求BLE或傳統藍牙性能?？纱┐髟O備還可連接至Wi-Fi或LTE網(wǎng)絡(luò )。

　　設計師還需要考慮到需通過(guò)設備進(jìn)行多少本地處理。即使是監測設備，也不能通過(guò)云進(jìn)行所有的決策。但這樣的設備主要是起到提供信息的作用，我們相信它將來(lái)也能具備一定的本地處理和決策性能。這也就意味著(zhù)高性能低功耗的CPU是其中的關(guān)鍵因素。

　　在VR 頭盔這類(lèi)產(chǎn)品中，其成功與否取決于高質(zhì)量的圖形性能，顯示是產(chǎn)品性能的重要組成部分。設計師需要性能極佳的GPU產(chǎn)品，例如Imagination公司的高端PowerVR GPU，其中包含下一代PowerVR Series8XT。對于具備顯示功能的可穿戴設備，例如智能手表，使用Imagination入門(mén)級PowerVR GPU，例如PowerVR 8XE系列GPU可幫助設計師降低設備實(shí)現相應功能的功耗，并改善可穿戴設備中電池壽命部分。

　　最后一點(diǎn)，設計師在設計可穿戴設備的過(guò)程中需要強大的安全性能來(lái)保護數據和與之連接通信的網(wǎng)絡(luò )。

電池壽命、用戶(hù)界面以及wearalone發(fā)展趨勢

　　毫無(wú)疑問(wèn)，可穿戴設備最重要的特性是電池使用壽命?？纱┐髟O備的小型電池通常為普通智能手機電池尺寸的十分之一，如果用于非?；镜幕顒?dòng)腕帶，運作時(shí)間可以是數周，用于智能手表可能是數天(至多)，用于耳內聽(tīng)覺(jué)設備可能只有數小時(shí)。顯然，可穿戴產(chǎn)品要在大眾之中普及的一個(gè)主要障礙是電池壽命，太過(guò)頻繁的充電，可能導致用戶(hù)在外出時(shí)將設備拋之腦后。

　　用戶(hù)界面(UI)也十分重要，可穿戴產(chǎn)品尺寸小，大多數沒(méi)有觸摸屏或物理按鈕，其運作必需經(jīng)由其它形式的UI，比如語(yǔ)音激活(它正在成為最自然的無(wú)縫UI)、運動(dòng)或手勢識別(搖、輕擊)，甚至將觸覺(jué)(振動(dòng)、觸摸)用于用戶(hù)反饋。

　　可穿戴產(chǎn)品領(lǐng)域內一個(gè)主要發(fā)展趨勢是Wearalone的興起，或者“將你的智能手機留在家中”。Wearalone是始終連接的蜂窩連接可穿戴產(chǎn)品，甚至不需要與智能手機配對。Wearalone智能手表可以用于戶(hù)外活動(dòng)，將云端音樂(lè )引導到無(wú)線(xiàn)頭戴耳機，無(wú)需手機即可回答呼叫，以及更多功能。因而，我們期待看到更多設備，不單采用短距藍牙和Wi-Fi，還采用蜂窩連接，具有全3G或LTE支持，或者更低帶寬LTE Cat-0和即將推出的NB-IoT標準。

存儲

可穿戴設備對存儲方面的要求

　　可穿戴產(chǎn)品對存儲的需求正在顯著(zhù)增長(cháng)，并且對設計的多樣化要求也在與日俱增。低功耗、不斷增強的性能以及小巧的外形規格正加大對高級離散組件和多芯片封裝 (MCP)的需求。

　　離散組件：監測類(lèi)可穿戴設備大多以智能手機配件的形式出現。它們注重尺寸和電池續航效率;此外，作為智能手機的配件，它們不需要存儲很多本地數據，與音頻和視頻文件比起來(lái)，即使是一整天的健康和健身監測數據也是微不足道的。由于可穿戴設備中的物理空間極為寶貴，因此，NOR 閃存憑借容量、芯片尺寸和低功耗成為了眾多此類(lèi)設備的理想選擇。容量范圍在 1-256Mb 之間的 NOR 設備能夠在空間很小的地方使用，例如，晶圓級芯片尺寸封裝 (CSP)、2mmx3mm雙列扁平無(wú)引腳封裝 (DFN) 和具體視密度而定的工業(yè)標準小外形集成電路封裝 (SOICx)。另一款非常適合滿(mǎn)足這種空間要求的存儲產(chǎn)品是串行外設接口 (SPI) NAND。由于可穿戴產(chǎn)品的設計日漸復雜，對存儲產(chǎn)品的要求也隨之提高，設計師可能會(huì )認為有必要在維持較低的整體物料清單成本的基礎上增加額外的存儲容量。而SPI NAND 不僅具備串行 NOR 的優(yōu)勢(如引腳數較少、封裝尺寸更小)，還能提供更大的密度(1Gb 至 8Gb)，其價(jià)格也低于同等密度的串行 NOR。

　　多芯片封裝 (MCP)：MCP通常指內含多種存儲類(lèi)型的單個(gè)封裝。NOR、NAND 或 e.MMC 等非易失性存儲可與 PSRAM 或 LPDRAM 在單個(gè) PoP(封裝體疊層)或 BGA(球柵陣列)封裝上堆疊，以節省 PCB 空間。例如，封裝了 64Mb NOR 和 32Mb PSRAM 的 MCP 尺寸為 6mmx4mm，而密度更高的 e.MCP 將 8GB e.MMC 和 8Gb LPDDR3 封裝在一起，其尺寸為 11.5mmx13mm。密度更高的 MCP 可提供相機和智能眼鏡等更高端可穿戴設備所需的性能。極度節省空間的 MCP 配置使用直接焊接在 SoC 上的 PoP 解決方案，將存儲的 PCB 空間要求降低至零。使用 MCP 解決方案的另一個(gè)優(yōu)勢是使存儲靠近 SoC，通過(guò)模塊快速集成，實(shí)現短程互聯(lián)(這能減少數據完整性問(wèn)題)和加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　參考文獻：

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第7頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。