如何用MCU設計可穿戴電子產(chǎn)品

　　“可穿戴”設備是指人體可穿戴的微型電子產(chǎn)品，通常與現有配飾(如手表)集成或者取而代之。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，該細分市場(chǎng)正迅猛發(fā)展，因此對于更小型化、更直觀(guān)的設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)跟蹤器等體現出這一發(fā)展趨勢。除了消費類(lèi)市場(chǎng)之外，醫療行業(yè)也對身體狀況與功能的監控設備有著(zhù)更高的需求。

　　可穿戴設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，而且還需要執行更多功能，因此，集成成為了另一大要素。我們將會(huì )在本文中探討可穿戴電子系統的不同需求、如何根據有關(guān)需求細分市場(chǎng)、典型可穿戴設備中的不同組件和MCU如何滿(mǎn)足相關(guān)需求。

　　可穿戴設備的需求

　　美觀(guān)：可穿戴設備需要時(shí)尚漂亮，而且需要能夠搭配當前的時(shí)尚配飾，如裝飾品、手表、眼鏡等。美觀(guān)非常重要，以至于英特爾等半導體巨頭都在同時(shí)尚行業(yè)攜手打造時(shí)尚設備。

　　電容式觸摸感應技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。電容式用戶(hù)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等。賽普拉斯的CapSense和TrueTouch技術(shù)使此類(lèi)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備。不過(guò)與此同時(shí)，設備還應當在相同空間集成更多功能。片上系統(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等多種封裝選項的可編程片上系統(PSoC)器件。

　　防水：可穿戴設備會(huì )被用戶(hù)帶到任何地方。因此，關(guān)鍵是這些設備的設計能夠抵抗環(huán)境條件，如水滴、濕氣、汗液等。

　　功耗：由于可穿戴設備是由電池供電，因此降低其功耗存在特殊挑戰。由于可穿戴設備大部分是監控設備，與其它移動(dòng)設備不同的是，它需要始終打開(kāi)并且保持連接。例如，智能手表需要始終顯示時(shí)間，并通過(guò)藍牙等無(wú)線(xiàn)方式連接到手機，以便接收提醒;計步器需要一直計算步數并向手機應用報告;同樣，心率監控器需要一直提供監控和報告。不過(guò)由于設備需要降低整體尺寸，因此會(huì )從內在限制電池容量。

　　這些設備需要以超低功率運行，以延長(cháng)電池使用壽命。此項需求對MCU與固件算法提出了特殊要求。32位ARM架構是可穿戴設備常用的CPU技術(shù)，因為它能提供最佳性能與高能效。另外可設計采用ANT+、低功耗藍牙(BLE)等無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現低功耗。

　　無(wú)線(xiàn)通信：無(wú)線(xiàn)連接對于可穿戴設備而言非常重要，因為后者需要與一個(gè)或多個(gè)設備進(jìn)行交互。根據類(lèi)型和所提供的功能，此類(lèi)設備需要支持不同的無(wú)線(xiàn)協(xié)議，如Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的專(zhuān)有協(xié)議等。一些設備需要支持多種協(xié)議。例如某種腕表采用專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議與心率監控胸帶通信，同時(shí)采用BLE與手機中的跑步應用進(jìn)行通信。

　選擇適當的應用處理器或微控制器

　　除了需要應用處理器的高級信息娛樂(lè )設備之外，MCU可以充分滿(mǎn)足大多數可穿戴設備的需求。另外，最新MCU可在單個(gè)芯片中集成大部分功能。這對降低可穿戴設備的整體尺寸和BOM成本都具有重要作用。

　　舉例來(lái)說(shuō)，ARM cortex-M控制器可以驅動(dòng)簡(jiǎn)單的腕帶，但是智能手表需要采用應用處理器，以便運行Android等復雜的操作系統。

　　如前所述，32位ARM處理器在可穿戴設備中非常受歡迎，因為其能夠提供最佳性能與高能效。PSoC等現代控制器利用ARM架構的功能優(yōu)勢在單個(gè)芯片中集成了高級模擬和可編程數字功能，同時(shí)還采用ARM cortex-M內核等。

　　一些高級設備采用獨立的協(xié)處理器把傳感器數據處理工作從主處理器上轉移出來(lái)。之所以需要這么做是因為設備可能具有需要實(shí)時(shí)分析以及CPU支持的傳感器數據負載。此功能稱(chēng)為“傳感器集線(xiàn)器”或“傳感器融合”。圖1說(shuō)明了傳感器集線(xiàn)器在可穿戴系統中的作用。

　　圖1：傳感器集線(xiàn)器在可穿戴系統中的作用。

　　操作系統：根據類(lèi)型和所提供的功能，可穿戴設備可能需要、也可能不需要特定的操作系統。例如一個(gè)用于監測溫度、采用3軸加速計測量運動(dòng)以及用單色段式LCD顯示時(shí)間的簡(jiǎn)單腕表可以運行輕量型RTOS，而用于擴展手機功能的智能手表需要運行Android等高級操作系統。同時(shí)，傳感器集線(xiàn)器需要具有上下文感知算法的特殊固件。