可穿戴電子的市場(chǎng)動(dòng)向及芯片解決方案

　　魯 冰 （《電子產(chǎn)品世界》編輯，北京 100036）

　　摘?要：手表手環(huán)等可穿戴類(lèi)電子產(chǎn)品發(fā)展迅猛，部分業(yè)內有代表性的市場(chǎng)調查公司和芯片廠(chǎng)商介紹了所看好的可穿戴電子產(chǎn)品，以及對芯片廠(chǎng)商的期待，這些企業(yè)最新的解方案。

　　關(guān)鍵詞：可穿戴；手表；保健；醫療；藍牙

　　1 可穿戴市場(chǎng)：智能手表、耳穿戴設備、健身手環(huán)增長(cháng)快

　　Strategy Analytics預測，2019年全球可穿戴設備的出貨量將達到創(chuàng )紀錄的3.25億部，年同比增長(cháng)29%。這一數字包括所有智能手表、健身手環(huán)、智能眼鏡，智能珠寶、智能服裝和藍牙頭戴設備的總和。2019年智能手表市場(chǎng)將持續增長(cháng)，功能手表市場(chǎng)增速放緩，耳穿戴設備市場(chǎng)增長(cháng)加速，而虛擬現實(shí)市場(chǎng)規?？s水，健身手環(huán)市場(chǎng)經(jīng)過(guò)幾年衰退后，2019年恢復適度增長(cháng)。 蘋(píng)果、小米和Fitbit將繼續爭奪全球可穿戴設備市場(chǎng)的領(lǐng)導地位。

　　全球健身手環(huán)的出貨量在2019年Q2（第2季度）同比增長(cháng)62％。在2018年遭受持續下滑之后，健身手環(huán)市場(chǎng)2019年已經(jīng)強勁復蘇。小米憑借其廣受歡迎的低成本小米手環(huán)4推動(dòng)了整個(gè)細分市場(chǎng)，并且正在與Ace一起探索兒童定位領(lǐng)域。與此同時(shí)，由于華為等競爭對手的激烈競爭，Fitbit正在失勢。

　　全球智能手表出貨量從2018年Q2的860萬(wàn)同比增長(cháng)44%，到2019年Q2的 1 230萬(wàn)。智能手表增長(cháng)繼續飆升，這是由于消費者越來(lái)越多地使用以健身為主導的可穿戴設備來(lái)作為他們智能手機的附件。而智能手表的操作系統仍然碎片化嚴重：蘋(píng)果的watchOS處于強勢地位，而Fitbit OS和其它公司正在苦苦掙扎。

　　如今，智能手表和健身手環(huán)的“殺手級應用”是健康和健身。世界各地的消費者尤其中國的消費者喜歡用它們監控并測量每日運動(dòng)數據。例如，慢跑者喜歡在跑步時(shí)監視他們的心率，或者消費者來(lái)監測每日運動(dòng)步數和距離?？纱┐髟O備最終將成為消費者手腕上的實(shí)時(shí)醫生。同時(shí)，中國和印度的兒童智能手表市場(chǎng)正經(jīng)歷爆發(fā)式增長(cháng)。諸如Imoo Z5或Z3等機型在兒童定位和父母與孩子進(jìn)行交流或兒童體育活動(dòng)方面相對受歡迎。

　　2 體征信號檢測設備的趨勢

　　體征信號監測方面的產(chǎn)品主要分為兩個(gè)主要市場(chǎng)，包括專(zhuān)業(yè)的監護類(lèi)產(chǎn)品（多用于醫院內）和可穿戴產(chǎn)品（個(gè)人消費品或個(gè)人健康產(chǎn)品）。目前院內院外的體征信號監測設備有融合的趨勢，ADI認為具有醫療性能的穿戴產(chǎn)品會(huì )越來(lái)越多地受到市場(chǎng)的歡迎。它們共同的需求是高性能，低功耗，便于穿戴，無(wú)線(xiàn)傳輸，具備醫療性能。

　　ADI在用于穿戴產(chǎn)品的光電技術(shù)、生理阻抗測量、生理電勢采集、溫度、運動(dòng)狀態(tài)監測以及環(huán)境相關(guān)（如氣體/CO 2 以及紫外線(xiàn)監測等）等領(lǐng)域都有成熟產(chǎn)品和持續的投資，并得到客戶(hù)的廣泛認可和采納。

　　例如在光電法測量生理體征信號方面，ADI的ADPD系列傳感器及信號處理方案，正在被幾乎所有大的品牌客戶(hù)設計使用。ADI專(zhuān)門(mén)應用于光電法的各類(lèi)生理體征信號監測的產(chǎn)品ADPD系列，例如ADPD142、ADPD153、ADPD144以及ADPD174等是目前市面上集成度很高的產(chǎn)品（注：光電二極管+LED+模擬前端+LED驅動(dòng)器+環(huán)境光抑制等，輸出的直接是I²C的數字量），而且體積小，功耗低（十分靈活的配置），以及是非常成熟的方案（注：早已有大量出貨），可用于診斷級產(chǎn)品，也適用于消費級的產(chǎn)品相關(guān)體征信號的采集，例如心率、血氧含量等。ADI公司最新一代的光電測量模塊產(chǎn)品ADPD188則進(jìn)一步提高了進(jìn)光效率和電流轉化率（CTR）；使得該類(lèi)應用在功耗、性能、設計簡(jiǎn)易度、簡(jiǎn)化客戶(hù)的產(chǎn)線(xiàn)流程以及成本等方面又獲得了優(yōu)化和突破進(jìn)展。

　　ADI的系列低功耗、單導聯(lián)、心電圖（ECG）模擬前端 (AFE) AD8233，專(zhuān)為滿(mǎn)足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監控設備和遠程健康監護設備的ECG信號調理要求而設計。

　　ADI專(zhuān)門(mén)用于高精度阻抗測量的模擬前端AD5940和高精度、低功耗片上計量?jì)xADucM355為身體生物電阻抗分析（BIA）、皮電活動(dòng)EDA/GSR等提供了簡(jiǎn)單易用、一步到位的解決方案。

　　ADI新推出的最新一代高性能多模傳感前端ADPD4000系列，可以同時(shí)支持PPG、ECG和生物阻抗（Bio-Z），并且在信噪比、功耗上進(jìn)一步提升，為小體積、高性能的整體穿戴解決方案提供了更便捷設計。

　　3 智能手表和微型可穿戴醫療設備的趨勢

　　德州儀器（TI）發(fā)言人指出，在當前全球都在部署BT5.0和5G的大環(huán)境下，智能手表等可穿戴設備以及健康監護等物聯(lián)網(wǎng)設備正在不斷擴大其市場(chǎng)。而這些應用也面臨著(zhù)共同的挑戰：

　　?終端用戶(hù)對可穿戴產(chǎn)品中健康數據的準確度和精確度的要求與日俱增，這就要求我們將高度集成和具備精準信號處理的方案帶給市場(chǎng)；

　　?隨著(zhù)市場(chǎng)對系統整體功能提升及功能的添加，設計人員針對功耗和電池壽命的要求也隨之提高。因此，如何讓小型化可穿戴產(chǎn)品中配備尺寸小、功耗低的芯片解決方案也是業(yè)內關(guān)注的領(lǐng)域；

　　?“如何在市場(chǎng)中實(shí)現產(chǎn)品的差異化”也是設計人員在思考的問(wèn)題，尋找產(chǎn)品的潛在附加價(jià)值成為一個(gè)值得探索的話(huà)題，如室內定位等。

　　為此，這里介紹 TI 的三大類(lèi)解決方案。

　　3.1 具備專(zhuān)業(yè)醫療功能的信號鏈解決方案

　　TI專(zhuān)注于醫療市場(chǎng)，并不斷推出新的模擬前端（AFE）產(chǎn)品系列及方案，獲得了下游廠(chǎng)商和市場(chǎng)的認可。TI為智能手表和微型可穿戴醫療設備提供高精度、高效率以及高集成度的解決方案，并憑借全球領(lǐng)先的技術(shù)獲得了良好的市場(chǎng)聲譽(yù)：

　　1）TI的專(zhuān)利性架構幫助產(chǎn)品廠(chǎng)商實(shí)現更高的信噪比（>100dB SNR），從而優(yōu)化產(chǎn)品的測量靈敏度；

　　2）TI的專(zhuān)利模擬信號處理為產(chǎn)品帶來(lái)更多功能：光學(xué)心率檢測，脈搏血氧飽和度（SpO₂）；

　　3）在不影響產(chǎn)品性能的前提下，TI 的產(chǎn)品擁有業(yè)界低級別的功耗（<0.8 μV/Hz）。

　　從2013年發(fā)布的高級別SNR（信噪比）產(chǎn)品，到后來(lái)業(yè)內首個(gè)完全集成ECG（心電圖）和PPG（光電容積圖）的產(chǎn)品AFE4900，TI致力于實(shí)現對用戶(hù)身體狀況更全面的監測。

　　1）AFE4900：設計人員可以利用其同步采集ECG和PPG數據，計算脈沖傳輸時(shí)間（PTT），從而有效幫助檢測血壓；2）AFE4420：該器件可以用于心率和血氧飽和度的測量。它支持多達4個(gè)可切換發(fā)光二極管（LED）和4個(gè)光電二極管，可以定義多達 16 個(gè)信號相位，并且可以以同步方式從每個(gè)相位獲取信號，并將其存儲在128 樣本的先入先出 (FIFO) 塊中。AFE4420集成在2.6mm×2.1 mm DSBGA 的超小封裝內，可以支持高達100dB的動(dòng)態(tài)范圍并且以極低的功耗運行（典型值LED為15 μA, 接收器為20 μA），從而保證對心率的精確及持續監測。

　　3.2 助力低功耗、小體積、高性能的電源開(kāi)發(fā)設計

　　TI的降壓轉換器產(chǎn)品可為負載極輕的系統（低于100 μA）提供更長(cháng)的電池壽命，并允許設計人員使用更少或更小的電池，縮小其整體電源解決方案尺寸（設計人員可使用4節AAA電池代替4節AA電池，可節省16 980 mm³的空間）。

　　1）TPS62840。具有業(yè)界最低的靜態(tài)電流（60nA），可以在1 μA的負載下實(shí)現80%的效率，比業(yè)界同類(lèi)產(chǎn)品高出30%。

　　2）電池充電產(chǎn)品如BQ25125 和 BQ25150/155/155。具有超低的靜態(tài)電流、微小的芯片尺寸、集成電源軌以及精確的充電技術(shù)。其充電參數可通過(guò)I²C編程，并集成ADC的系統監控，使得電池充電更為靈活安全。

　　3.3 室內定位功能助力設計人員開(kāi)發(fā)差異化產(chǎn)品

　　隨著(zhù)可穿戴市場(chǎng)的發(fā)展，產(chǎn)品同質(zhì)化競爭不可避免，室內定位功能是開(kāi)發(fā)差異化產(chǎn)品的思路之一。利用定位技術(shù)，設計人員可以為可穿戴產(chǎn)品擴展室內定位功能提供底層的軟件基礎，從而拓展穿戴產(chǎn)品的應用場(chǎng)景。

　　結合藍牙5.0技術(shù)，TI在CC2642/CC2640R2F SDK中提供RTLS（實(shí)時(shí)定位系統）工具箱，同時(shí)支持RSSI（接收信號強度）/AOA（到達角度）/TOF（飛行時(shí)差測距）三種不同定位技術(shù)。

　　4 NFC和MCU助力可穿戴開(kāi)發(fā)

　　過(guò)去幾年，可穿戴產(chǎn)品正在消費者的日常生活中扮演越來(lái)越重要的角色。我們可以看到，可穿戴產(chǎn)品的形態(tài)越來(lái)越多樣化，從智能手環(huán)到智能手表，再到TWS（真正無(wú)線(xiàn)立體聲）耳機等等，其功能也隨之豐富。

　　其實(shí)，消費者對每一種可穿戴產(chǎn)品都有不同的需求，例如穿戴舒適和更長(cháng)的待機時(shí)間，以及智能手環(huán)手表更加獨立的工作能力：不僅需要支持健康數據記錄，還需要支持更多消費者日常使用場(chǎng)景，比如支付和蜂窩網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)連接等等。

　　為了滿(mǎn)足并解決產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和使用中的各種“痛點(diǎn)”，終端產(chǎn)品廠(chǎng)商對于元器件有3個(gè)維度的期待：

　　?支持更豐富的產(chǎn)品功能；

　　?更低的功耗和封裝布板面積；

　　?應用服務(wù)的快速一站式接入能力。

　　為了更好地滿(mǎn)足可穿戴市場(chǎng)的消費者和產(chǎn)品廠(chǎng)商的需求，恩智浦推出了多種創(chuàng )新性產(chǎn)品和解決方案，典型地，有如下三方面產(chǎn)品。

　　1）NFC產(chǎn)品。恩智浦最新推出的SN100/110系列產(chǎn)品，可謂業(yè)內首個(gè)40 nm單芯片解決方案。相較于上一代產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品基于全新的軟硬件解決方案，在NFC支付交易速度提升30%、布板面積減少30%的基礎上，還帶來(lái)了1.5倍~2倍的NFC RF性能提升。

　　2）MCU產(chǎn)品。恩智浦新的i.MX 7ULP雙核產(chǎn)品，包括一個(gè)Cortex-A7核和一個(gè)Cortex-M4核，兩個(gè)核處于完全獨立的兩個(gè)域。Cortex-A7可以運行在Linux操作系統上，Cortex-M4則是非常低功耗的核。在絕大多數情況下，Cortex-A7核處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)Cortex-M4會(huì )處理一些基本的任務(wù)，保證設備低功耗運行。該產(chǎn)品的一個(gè)很好的應用場(chǎng)景是智能手表。

　　3）Secure Service2Go端到端解決方案。NFC的應用服務(wù)上線(xiàn)一直是客戶(hù)的痛點(diǎn)之一。而為了解決這一痛點(diǎn)，恩智浦開(kāi)發(fā)了一整套端到端的解決方案，支持客戶(hù)的產(chǎn)品接入全球支付網(wǎng)絡(luò )和公交收費系統，該方案已經(jīng)在一些主流的可穿戴客戶(hù)的產(chǎn)品上落地。

　　此外，恩智浦還有很多的解決方案，包括為支持無(wú)線(xiàn)充電功能而設計的更加靈活的NFC充電方案、支持雙耳超低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸的NFMI解決方案等。

　　5 醫用助聽(tīng)器與藍牙芯片方案

　　如今，可穿戴產(chǎn)品的演變從人們當初單純的便攜娛樂(lè )需求轉變到現在附帶各種身體健康參數的測試和提醒，通過(guò)這種功能達到對自己身體健康負責的態(tài)度。人類(lèi)身體健康指標有很多種，諸如血糖、血壓、心率、體溫等各種指標，每種指標的測試方式都不一樣，如果把所有的指標測試的硬件堆疊在一個(gè)可穿戴設備上，這個(gè)設備的體積不可想象，肯定不會(huì )滿(mǎn)足“可穿戴”形式要求，給用戶(hù)會(huì )帶來(lái)極大的不便利性。

　　同時(shí)可穿戴醫療產(chǎn)品區別于傳統醫療產(chǎn)品之處就是其便利性和實(shí)時(shí)性，這就需要可穿戴產(chǎn)品可持續工作的時(shí)間可以滿(mǎn)足用戶(hù)使用的頻率，因此對產(chǎn)品的功耗有極其苛刻的要求。

　　為了提升客戶(hù)的體驗，隨著(zhù)5G時(shí)代萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代到來(lái)，用戶(hù)也期望可穿戴醫療產(chǎn)品可以與手機直聯(lián)，同時(shí)把監測醫療健康數據存入云端進(jìn)行大數據分析，從而得出更合理的健康指導。

　　基于以上闡述，元器件供應商需要提供高集成度、低功耗、帶無(wú)線(xiàn)連接功能等特點(diǎn)的芯片方案，同時(shí)測試的性能上要求準確可信。

　　安森美半導體是業(yè)界少有的在公開(kāi)市場(chǎng)上提供專(zhuān)業(yè)助聽(tīng)器芯片的廠(chǎng)商，目前推出高集成度、低功耗的小型芯片Ezairo7160, 采用65 nm技術(shù)，把多路A/D、D/A、DSP、EEPROM、無(wú)線(xiàn)藍牙低功耗(BLE)、晶振等功能模塊集成到3.8 mm×6.6 mm的系統單芯片(SoC)封裝里面，設計成四核375 MIPS的處理能力，而功耗平均為700 μA。下一代產(chǎn)品將采用更加先進(jìn)的22 nm技術(shù)，以達到更高的集成度和低功耗的特點(diǎn)。

　　同時(shí)，安森美半導體醫療部門(mén)根據市場(chǎng)需求推動(dòng)超低功耗BLE 5.0芯片RSL10，這款芯片同時(shí)采用雙核架構，集成了先進(jìn)優(yōu)化的M3內核和DSP內核，而尺寸只有2.3 mm×2.3 mm，深度睡眠狀態(tài)下的功耗僅為50nA。這種產(chǎn)品革新了BLE 5.0芯片架構和功耗，契合了可穿戴醫療產(chǎn)品的特點(diǎn)。

　　6 可穿戴設備需要極低功耗和高集成度

　　目前，智能手表和手環(huán)依然是主流的可穿戴產(chǎn)品，現在在硬件層面都有極大的提升，例如更強的處理器、彩屏和全屏觸控的支持、語(yǔ)音助理等。當然可穿戴設備不僅僅是一種硬件設備，更能通過(guò)軟件支持以及數據交互、云端交互來(lái)實(shí)現強大的功能。

　　在可預見(jiàn)的將來(lái)，可穿戴設備將會(huì )對我們的生活、感知帶來(lái)很大的轉變。極低的待機功耗和高度的集成度依然是產(chǎn)品廠(chǎng)商的期望，因為這會(huì )給產(chǎn)品的設計者帶來(lái)更多的設計選擇和自由。

　　憑借對可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)的觀(guān)察和強大的硬件和軟件整合能力，Dialog在2019年2月推出了3核的DA1469x系列高集成度SoC，將傳感、處理和通信集成到一起。該SoC系列具有先進(jìn)的內置電源管理單元，將模擬和數字外設進(jìn)行了獨特結合。例如在音頻部分，支持兩路的音頻輸入和輸出，可以支持立體聲音頻。針對有屏幕的應用，例如游戲控制器，內置了ERM和LRA驅動(dòng)器，為用戶(hù)提供觸覺(jué)反饋。當然一如既往，Dialog對安全的關(guān)注和支持提高到了一個(gè)新的高度。同時(shí)由于采用CMAC，DA1469x系列的芯片很容易支持新的標準和應用，比如最新的藍牙5.1標準。其中一個(gè)藍牙5.1標準特性就是應用到達角度（AoA）和離開(kāi)角度（AoD）進(jìn)行尋向定位，可以應用于室內定位、物品追蹤、門(mén)禁、無(wú)鑰開(kāi)鎖等方案。

　　7 可穿戴產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)連接案例及動(dòng)向

　　傳感器技術(shù)的進(jìn)步使得健身腕帶和跟蹤器能夠監測多種身體運動(dòng)和空間定位。例如深圳市隱秀科技有限公司的“米家石英表(Mi Quartz)”健身手表等設備系圍繞Nordic的nRF52832 SoC（系統級芯片）而設計，通過(guò)在用戶(hù)智能手機(iOS或安卓OS)上運行的應用程序，以無(wú)線(xiàn)方式報告一系列運動(dòng)指標數據。

　　同樣在醫療領(lǐng)域，傳感器技術(shù)的進(jìn)步使得醫護人員能夠通過(guò)輕便且舒適的可穿戴設備對患者進(jìn)行24小時(shí)/7天遠程監控。例如，Actigraph為其CentrePoint InsightWatch選擇了nRF52832，這款手表專(zhuān)為醫療應用而設計，用于臨床試驗和健康研究人員。

　　用戶(hù)希望這些健康設備可靠且輕巧，并同時(shí)提供一系列功能。此外，他們還想從微型電池中獲得長(cháng)使用壽命，這些需求意味著(zhù)制造商面臨嚴峻的設計挑戰。為此，Nordic可以提供經(jīng)過(guò)嚴格測試的通用多協(xié)議通信SoC，提供了包括低功耗藍牙連接的超低功耗無(wú)線(xiàn)通信功能，以期確保出色的電池使用壽命。

　　例如上兩例提到的nRF52832，是藍牙5/低功耗藍牙SoC。它采用一個(gè)64 MHz的32位Arm Cortex-M4F處理器，可在512 kB閃存中存儲數據，而64 kB RAM則支持許多可穿戴應用的典型算法過(guò)濾需求。

　　雖然nRF52840通常被認為是Nordic的高端SoC，但也可用于可穿戴設備。例如深圳市愛(ài)都科技有限公司的ID205智能手表采用nRF52840 SoC，以無(wú)線(xiàn)方式訪(fǎng)問(wèn)和控制用戶(hù)智能手機的某些功能，是擁有超過(guò)14種運動(dòng)模式的運動(dòng)手表。

　　迄今為止，大多數可穿戴設備都是配合智能手機使用的伴侶設備。憑借對可穿戴設備未來(lái)發(fā)展的預判，Nordic最近推出的nRF51系列支持全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(cIoT)上的LTE-M/NB-IoT通信。例如，nRF9160將一個(gè)應用MCU、全LTE調制解調器、RF前端和電源管理集成在10 mmx16 mmx1 mm SiP（系統級封裝）中，為可穿戴設備提供了小型化外形尺寸，這些可穿戴設備設計用于通過(guò)cIoT進(jìn)行單獨的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)通信。

　　參考文獻

　　[1]王瑩,毛爍.元器件在可穿戴產(chǎn)品中運用的流行趨勢.電子產(chǎn)品世界,2018(9):8-14.

　　[2]迎九.Bosch Sensortec對可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)傳感器的市場(chǎng)和技術(shù)考慮.電子產(chǎn)品世界,2019(5): 22-25.

　　[3]迎九.ST對MEMS傳感器的定位和研發(fā)考慮.電子產(chǎn)品世界,2019(5):26-28.

　　[4]黃雨薇,董壯壯,張雨亭,等.研究可穿戴設備血壓監測功能的精準性.電子產(chǎn)品世界,2019(7):54-56.

　　[5]ROHM SEMICONDUCTOR.可穿戴設備用光學(xué)式脈搏傳感器技術(shù)難點(diǎn)及應用事例.電子產(chǎn)品世界,2018(3):65-67.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第8頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。