無(wú)線(xiàn)可穿戴產(chǎn)品致勝設計策略

　　當美國漫畫(huà)家Chester Gould在Dick Tracy的手腕上畫(huà)出手表圖案時(shí)，他一點(diǎn)也沒(méi)有意識到，科幻小說(shuō)能在70年后變?yōu)楝F實(shí)。作為一名連環(huán)畫(huà)畫(huà)家，Gould想象出未來(lái)設備，卻沒(méi)有考慮太多細節。如今，這些非常真實(shí)的腕上設備和其他無(wú)線(xiàn)可穿戴設備(WWD)為工程師帶來(lái)一系列他們必須克服的設計細節挑戰。工程師必須在經(jīng)濟實(shí)惠、引人注目、超緊湊的設計中無(wú)縫集成復雜的傳感、處理、顯示和無(wú)線(xiàn)技術(shù)，且可在單一、小巧和具有成本效益的電池供電下工作數個(gè)月，甚至數年。下面讓我們一起來(lái)討論對于可穿戴設備、技術(shù)和組件選擇的具體需求，以及如何在超小的外形尺寸中實(shí)現復雜功能、長(cháng)電池使用壽命和無(wú)縫無(wú)線(xiàn)連接。

　　在可穿戴產(chǎn)品設計中，工程師必須考慮三個(gè)關(guān)鍵因素：各種操作模式下的功耗(節能)、從匹配電路到天線(xiàn)之間的適當RF設計、以及設計中器件的集成度。我們將更詳細的討論集成所面臨的挑戰，因為很難在不考慮功耗和RF設計的情況下獨立討論這個(gè)因素。

　　大多數無(wú)線(xiàn)可穿戴設備涵蓋共同的組件，包括電池、天線(xiàn)、微控制器(MCU)、無(wú)線(xiàn)電和傳感器。從這個(gè)名單上看，顯而易見(jiàn)，電池將在很大程度上影響可能實(shí)現的功能和WWD的工作壽命?？紤]到電池電量將會(huì )快速耗盡，大多數WWD并非一直保持連續的數據傳輸，因此通常我們假設通信是突發(fā)的和偶發(fā)的。此外，集成了無(wú)線(xiàn)電的MCU，通常被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)MCU(WMCU)，它使用方便、節省電路板面積并且降低了功耗，因此我們也假設在可穿戴設計中采用WMCU。

　　為應用選擇合適的WMCU是一項復雜的決策過(guò)程，因為對于功能豐富的設備的高功能性將受到電池操作壽命的限制。如果我們僅僅關(guān)注WMCU的峰值功耗，那么從電池壽命這一單一因素來(lái)看，評估結果是相當令人失望的。然而，WWD通常工作在多種不同的能耗模式(EM)，并且僅在極少情況下進(jìn)入高功耗狀態(tài)。因此，通過(guò)考慮在各種能耗模式中所花費的時(shí)間，我們可以評估電池的實(shí)際使用壽命。

　　Silicon Labs為其基于A(yíng)RM架構的EFM32 MCU定義了5種能耗模式：EM0(活動(dòng)/運行)、EM1(休眠)、EM2(深度休眠)、EM3(停止)和EM4(關(guān)閉)。這5種模式使得設計人員能夠靈活的決策和優(yōu)化系統的整體功耗。然而，能夠識別這些模式以及數據手冊中的規格數據并不能確?！霸诟鞣N模式下都獲得低功耗”，或者簡(jiǎn)單的說(shuō)，不能確?！肮澞堋?。確保節能并發(fā)展良好的終端客戶(hù)體驗是構建WMCU可運行于這些不同模式的方法。事實(shí)上，依賴(lài)于突發(fā)傳輸之間的時(shí)間間隔，活動(dòng)模式EM0可能僅占整體功耗中極小比例。而深度休眠模式EM2所占用的時(shí)間可以代表電池使用壽命的最大比例。

　　當為應用選擇最佳WMCU時(shí)，工程師應當關(guān)注以下特性，包括可提供高集成度、具有良好架構的低功耗WMCU。超低功耗WMCU的一些特性無(wú)需多說(shuō)，但也應被完整的列出：

　　· 最低運行功耗(EM0)

　　· 最低待機電流(EM1和EM2)

　　· 微處理器內核的選擇，包括8位和32位ARM Cortex(從M0+到M4)

　　· 無(wú)線(xiàn)電配置選擇，包括單收、單發(fā)、收發(fā)一體和性能等級

　　其他MCU特性，包括相關(guān)架構和集成度，同樣重要而且需要進(jìn)一步說(shuō)明：

　　· 極短的喚醒時(shí)間

　　· 自主的外設操作

　　· 自主的外設間操作(外設反射系統)

　　· 低能耗傳感器接口(LESENSE)

　　· 豐富的高能效外設和接口

　　· RF集成

　　最低待機電流和極短喚醒時(shí)間

　　當打算設計一個(gè)盡可能節能的無(wú)線(xiàn)可穿戴設備時(shí)，人們必須要想到所有可能的功耗優(yōu)化辦法。當設備喚醒時(shí)，它必須要盡可能快，如：盡可能快的收集和處理數據，然后盡可能快的返回到休眠模式。確保在休眠模式和活動(dòng)模式之間快速轉換是一項必須要考慮到的關(guān)鍵要素。一個(gè)處理器在活動(dòng)模式所花費的時(shí)間即使僅比另一個(gè)處理器多出10%，那么對電池壽命的影響也是巨大的。例如，假設處理器1花費99.9%的時(shí)間在休眠模式(1μA)，0.1%的時(shí)間在活動(dòng)模式(10mA)，同時(shí)處理器2花費99.89%的時(shí)間在休眠模式，0.11%的時(shí)間在活動(dòng)模式，那么第二個(gè)處理器的整體電流消耗將增加9.1%。有趣的是，如果處理器1和2在每6小時(shí)中分別處于活動(dòng)模式100ms和110ms，那么其結果就會(huì )突顯出極低的深度休眠電流的重要性。在這種情況下，第二個(gè)處理器只比第一個(gè)多消耗0.44%的電量。然而，如果處于活動(dòng)模式的時(shí)間相同，并且把深度休眠電流從1 μA增加到1.1 μA，那么電流消耗將上升9.6%!

　　自主的外設操作

　　取決于可穿戴設備的功能特性，可能需要對片上外設進(jìn)行頻繁、甚至持續的交互或監視。在這種情況下，CPU在這些時(shí)間內要保持活動(dòng)的需求將導致電池電量的消耗非常明顯。確保片上擁有無(wú)需CPU參與的自主操作能夠使系統運行在低能耗模式的同時(shí)，仍然能夠執行非常高級的任務(wù)。這些外設可包括串行接口(例如，低能耗UART、免晶體USB)、I/O端口(例如，外部中斷、GPIO)、定時(shí)器和觸發(fā)器(例如，低能耗定時(shí)器、低能耗傳感器接口)、模擬模塊(例如，ADC、LCD控制器)和安全(例如AES加速器)。

　　自主外設之間的操作(外設反射系統)

　　也有一些情況，外設之間可能需要進(jìn)行通信。在這些情況下，一個(gè)外設需要能夠產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)能夠立刻被另一個(gè)片上外設所感應到的事件。例如，一個(gè)定時(shí)器能夠被設定創(chuàng )建一個(gè)事件，然后觸發(fā)一個(gè)ADC開(kāi)始采樣。在外設之間使能自主的操作，無(wú)需喚醒CPU，能夠確保獲得最低的系統功耗。這種能力是Silicon Labs EFM32 MCU架構的一個(gè)關(guān)鍵特性，被稱(chēng)為外設反射系統(Peripheral Reflex System)。

　低能耗傳感器接口(LESENSE)

　　最終當CPU需要被喚醒以執行特定任務(wù)時(shí)，大多數MCU被設置為在一系列特定時(shí)刻上喚醒，并監視它的接口，如果沒(méi)有動(dòng)作需要，它將返回到休眠模式。這些定期喚醒循環(huán)產(chǎn)生了不必要的電池能量消耗。EFM32 MCU采用的LESENSE架構允許對模擬傳感器(電阻式、電容式和電感式)進(jìn)行自主監測，僅僅在相關(guān)事件或者條件滿(mǎn)足時(shí)才喚醒CPU，就跟其他事件處理一樣。例如，LESENSE能夠被設置去自主的監測一個(gè)溫度傳感器，僅僅超過(guò)可編程的99華氏度門(mén)限時(shí)才通過(guò)外設反射系統喚醒CPU采取動(dòng)作。因此，使用LESENSE能夠最小化CPU使能的時(shí)間，當不得不消耗最大功耗時(shí)，盡可能的縮短最大功耗時(shí)的運行時(shí)間。

　　豐富的高能效外設

　　開(kāi)發(fā)一個(gè)在各種操作模式下都盡可能減少能耗的可穿戴設備需要仔細審查MCU的各個(gè)運行方面。雖然我們已經(jīng)討論了外設的自主操作，但我們還需要進(jìn)一步討論外設本身的低功耗需求。如果外設本身功耗極大或者如果時(shí)鐘在非必要情況下使能，那么自主操作起到的作用也會(huì )非常小。

　　就外設本身而言，時(shí)鐘管理單元對于MCU或者WMCU整體功耗起著(zhù)重要作用。時(shí)鐘管理單元可以對多種時(shí)鐘和振蕩器進(jìn)行單獨控制，并且基于操作所采用的功耗模式和使能的外設進(jìn)行最優(yōu)化時(shí)鐘選擇。使用低能耗振蕩器結合靈活的時(shí)鐘控制方案，能夠盡可能的最小化應用中的功耗。高能效的時(shí)鐘管理單元包括低電流振蕩器、低啟動(dòng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)系統時(shí)鐘分頻、時(shí)鐘門(mén)控、以及用于32kHz外設模塊和時(shí)鐘預分頻器。

　　低能耗自治UART的有效性對于獲得超低系統功耗也是同等重要的，尤其是在深度睡眠(EM2)模式，這時(shí)大多數其他外設與CPU都處于關(guān)閉狀態(tài)。UART應該包括必要的硬件支持來(lái)最小化異步串行通信中的軟件干預。通過(guò)使用32.768 kHz時(shí)鐘源，低能耗的UART可支持高達9600 baud/s，并且當完成UART幀接收后，可以快速喚醒CPU。

　　當設備的大部分部件處于斷電狀態(tài)時(shí)，低能耗定時(shí)器能夠被用于定時(shí)和輸出，因此允許在執行簡(jiǎn)單任務(wù)的同時(shí)保持系統功耗絕對最小值。如果適當配置，這種定時(shí)器能夠提供高達16kHz頻率(32kHz振蕩器頻率的一半)的無(wú)差錯波形。

　　對于MCU或者WMCU中的模擬資源，例如ADC、DAC、LCD控制器、模擬比較器和其他外設，應當仔細分析它們的功耗和靈活性。例如，12位1Msps ADC在全速時(shí)可消耗350 μA，但是并非所有應用都需要運行在這種速率下。在僅需要6位、1ksps的應用中，這時(shí)ADC僅消耗0.5uA，功耗顯著(zhù)減少了。LCD控制器應當能夠在沒(méi)有任何CPU干預下運行定制動(dòng)畫(huà)，并且僅僅是更新數據時(shí)才喚醒CPU。

　　加密占用非常大的片上資源，且顯著(zhù)消耗電池電量。最低成本的8位MCU通常需要把安全邏輯作為運行時(shí)代碼來(lái)執行，而32位MCU最可能包括一個(gè)AES加速器。當硬件AES加速器可用時(shí)，它應當有能力在無(wú)需CPU參與下自主運行，并且應當包括支持自治密碼模式的DMA以最小化電池消耗。

　　RF集成

　　以上的討論內容主要集中在MCU架構之內。然而，其他與無(wú)線(xiàn)收發(fā)器相關(guān)的特性也應當關(guān)注?；趹眯枨?，無(wú)線(xiàn)可穿戴設備可能從不需要接收信息，但是多數設備需要在一些時(shí)候發(fā)射數據。電池供電設備的低功效放大器會(huì )顯著(zhù)增加系統功耗，并且使應用增加電池尺寸和成本以滿(mǎn)足系統運行壽命的需要。例如，長(cháng)距離通信設備可能需要RF有+13dBm、16dBm或甚至+20dBm等級別輸出功率。雖然在WMCU中集成+10dBm RF功率放大器(PA)是普遍存在的，但是如果應用需要更大輸出功率，那么就需要片外的三極管或者放大器。問(wèn)題是對于創(chuàng )建低成本且切實(shí)可行的解決方案來(lái)說(shuō)，這些片外助推器是無(wú)益的，因為解決方案既要滿(mǎn)足高效又要低成本。因此，在要求長(cháng)距離和/或者頻繁通信的應用中，效率和電池壽命通常與獲得具有競爭力的成本目標是矛盾的?？朔@個(gè)問(wèn)題的一種方法是確保WMCU中集成適當大小的PA，甚至最大可達+20dBm。通過(guò)在WMCU設備中集成PA，PA的電流消耗能夠被最小化。歸功于PA輸出和助推放大器之間的適當匹配，以及發(fā)射鏈的安全設計對溫度和電壓變動(dòng)的補償，因此沒(méi)有損耗。一個(gè)完全集成的PA使得PA操作得以完全控制，確保獲得最低功耗。

　　許多應用運行于2.4GHz頻段，這種情況下，IC供應商有機會(huì )可以通過(guò)集成匹配電路和提供單端RF輸入輸出來(lái)簡(jiǎn)化系統設計。Sub-GHz應用傾向于覆蓋非常寬的頻率范圍，從數百MHz到1GHz。在這些情況下，集成匹配組件是不現實(shí)的。然而，在WMCU中集成通常片外使用的被動(dòng)器件，并且由于對于分離實(shí)現方案有成本優(yōu)勢，因此在大多數流行的頻段應用中是可行的。

　　最后，我們在無(wú)線(xiàn)可穿戴設備中還沒(méi)有討論的是天線(xiàn)發(fā)射和接收特性。由于尺寸和成本限制，大多數無(wú)線(xiàn)可穿戴設備的天線(xiàn)發(fā)射特性一般都較差，因為它們通常簡(jiǎn)單的把天線(xiàn)打印在PCB板面材料上(像FR4)。為了補償天線(xiàn)損耗或低增益，最簡(jiǎn)單方法是增加RF輸出功率來(lái)獲得期望的輸出功率。不幸的是，如前面所討論的，這個(gè)發(fā)射器將比那些天線(xiàn)已經(jīng)被優(yōu)化過(guò)的發(fā)射器消耗更大的能量。更好的設計和更低的匹配電路損耗將是最優(yōu)化操作的保證，但是天線(xiàn)設計具有極大的設計難度，特別是當考慮到可穿戴設備所處不斷變化的RF環(huán)境時(shí)。由靠近終端用戶(hù)身體(例如手覆蓋到設備上時(shí))而產(chǎn)生的不匹配波動(dòng)能夠引起許多問(wèn)題。一些WMCU設備，例如Silicon Labs的Si4010“片上遙控器”發(fā)射器，有集成的天線(xiàn)調諧電路，能夠在這些時(shí)候動(dòng)態(tài)的補償天線(xiàn)。這種電路起著(zhù)非常重要的作用，不僅控制功耗，而且也確保無(wú)線(xiàn)電輻射保持在法規限定范圍之內。

　　一種補償較差天線(xiàn)接收性能的方法是把系統設計成天線(xiàn)分集接收，即采用多天線(xiàn)。雖然許多應用將從實(shí)施天線(xiàn)分集中獲益，但也有一些因素需要考慮。首先，天線(xiàn)分集傾向于幫助那些在發(fā)射端和接收端之間的距離上有如此情況的：接收到的信號水平接近背景噪聲水平(即接近鏈路覆蓋范圍的邊沿)，或者由多徑傳輸或物體遮擋而產(chǎn)生的衰落傳輸環(huán)境。

　　為了降低功耗和芯片成本，WMCU IC通常僅集成一條接收路徑，因此天線(xiàn)分集必須通過(guò)一個(gè)片外天線(xiàn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，以便在兩個(gè)天線(xiàn)之間交替選擇。然而，由兩個(gè)天線(xiàn)共享一條接收路徑的方案可能比人們預期消耗更多的功耗。因為在這種情況下，發(fā)射的前導符長(cháng)度必須被擴展，以便為兩個(gè)天線(xiàn)按順序進(jìn)行評估提供足夠的時(shí)間。為分析和選擇最佳天線(xiàn)，也增加了計算成本和電流消耗。

　　最后，還有一個(gè)間距問(wèn)題。在無(wú)線(xiàn)通信系統中天線(xiàn)之間的距離被推薦為波長(cháng)( l)的整數倍或分數倍，最小間距是? l。在2.4GHz，波長(cháng)為125mm，依據最小間距l/4或31.25mm的分離天線(xiàn)設計在一些無(wú)線(xiàn)可穿戴設備內是可行的。然而，對于工作在Sub-GHz頻段的WWD來(lái)說(shuō)，克服這種挑戰將變得極其困難。在868MHz頻段，天線(xiàn)應當被保持最小86mm的間距，這導致在許多WWD應用中無(wú)法使用天線(xiàn)分集。

　　因此，工程師必須在改善傳輸距離和接收性能與增加復雜性和尺寸、計算成本和電流消耗之間進(jìn)行權衡。假設天線(xiàn)分集不是問(wèn)題，增加的計算成本和相應的功耗能被克服。那么，在變化的和非同步的環(huán)境中，定期的在天線(xiàn)間進(jìn)行切換也是需要的，因為無(wú)線(xiàn)電在信息包到達前不知道哪個(gè)天線(xiàn)能夠實(shí)現更好的接收效果。Silicon Labs的EZRadioPRO收發(fā)器擁有集成的前導符質(zhì)量檢測器以基于RSSI值來(lái)決定信號質(zhì)量，并確認有效信息包到達兩個(gè)天線(xiàn)。集成檢測器的好處是它能夠選擇最佳的天線(xiàn)，卸載MCU負擔，從而也在選擇過(guò)程中減少整體功耗。

　　總結

　　如果今天Chester Gould依舊健在，那么他肯定印象深刻，他的想象力已被大大超越。眾多公司已經(jīng)推出了遠遠超過(guò)Dick Tracy具有無(wú)線(xiàn)電話(huà)功能的腕表設備，并且正在開(kāi)發(fā)各類(lèi)更先進(jìn)的可穿戴設備。然而，當設計人員試圖集成更多特性和功能到無(wú)線(xiàn)可穿戴設備時(shí)，底層的關(guān)注點(diǎn)幾乎總是相同的——如何獲得更低的功耗、如何在設計中適應小的外形尺寸、如何確保設備具有可靠的無(wú)線(xiàn)通信。而且最終的關(guān)切點(diǎn)將是如何以盡可能低的價(jià)格獲得這些產(chǎn)品設計目標，但是那是我們的另一個(gè)話(huà)題…“Six-two and even,over and out”。

　　作者：Silicon Labs IoT MCU和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品市場(chǎng)總監 Mendy Ouzillou