|
可穿戴技術現在是消費類電子行業(yè)的熱門用語。每家消費類電子產品公司都聲稱要推出可穿戴設備。它們是我們能夠穿戴的微型電子設備，通常與現有配飾(如：手表)集成或者取而代之。 隨著可穿戴設備行業(yè)的當前變革，對于更小、更直觀的設備的需求正在迅猛增加。這個新興行業(yè)的當前設備趨勢包括智能手表、智能眼鏡以及體育與健身活動跟蹤器。除了消費類電子產品，它同時也在醫(yī)療行業(yè)催生令人關注的需求。 顯然，這些設備所包含的電子產品需要“瘦身”。最重要的電子組件應該是微控制器。由于這些MCU不但需要尺寸小，而且還需要執(zhí)行更多功能，因此集成成為了另一大要素。我們將會在本文中探討以下主題： ? 可穿戴電子系統(tǒng)的不同需求; ? 如何根據這些需求細分市場; ? 典型可穿戴設備中的不同組件; ? 最后我們將探討MCU如何有助于滿足相關需求。 本文結束部分以賽普拉斯的旗艦器件——可編程片上系統(tǒng)(PSoC)舉例說明一種智能手表。 可穿戴設備的需求 我們首先看一下可穿戴設備的典型需求。 美觀： 可穿戴設備的最重要需求是美觀。最終產品需要時尚漂亮，而且需要能夠搭配當前的時尚配飾，如：裝飾品、手表、眼鏡等。僅憑英特爾等半導體巨頭與時裝行業(yè)攜手打造時尚設備這一點就能夠說明此項需求至關重要。 電容式觸摸感應技術是提高美感的關鍵技術。對此，電容式用戶界面的關鍵需求是支持各種外形(包括曲面)，能夠防液體(避免誤判的觸摸)，以及支持厚的覆蓋層感應等。賽普拉斯的CapSense 與TrueTouch技術能夠使此類需求變得切實可行。 尺寸： 如前所述，這些器件的明顯需求是尺寸小，以便輕松集成到可穿戴設備。但同時不可以減少或降低其展現的功能。因此，此類器件中采用的組件在保持小尺寸的同時還應當在相同空間集成更多功能。片上系統(tǒng)(SoC)和芯片級封裝(CSP)等技術有助于縮小尺寸。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(tǒng)(PSoC)器件。 防水： 可穿戴設備會被用戶帶到任何地方。因此，關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： 毋庸置疑，可穿戴設備是由電池供電，因此，以下因素在其功耗降低方面帶來了特殊挑戰(zhàn)： ? 由于可穿戴設備大部分是監(jiān)控設備，與其它移動設備不同的是，它需要始終打開并且保持連接。例如，智能手表需要始終顯示時間并通過藍牙等無線方式連接到手機，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(jiān)控器需要一直提供監(jiān)控和報告。 ? 由于需要降低整體尺寸，因此會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，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)等無線技術實現低功耗。 無線通信： 由于具有更高的靈活性與自由度，無線連接已成為現代電子設備的一大自然特性。無線連接對于可穿戴設備而言更加重要，因為后者需要與一個或多個設備進行交互。根據類型和所提供的功能，此類設備需要支持不同的無線協(xié)議，如：Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的專有協(xié)議等。一些設備需要支持多種協(xié)議。例如，某種腕表采用專有無線協(xié)議與心率監(jiān)控胸帶通信，同時采用BLE與手機中的跑步應用進行通信。 應用處理器/嵌入式控制器： 主處理器的選擇僅僅取決于設備的類型與功能。例如，ARM cortex-M控制器可以驅動簡單的腕帶，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(tǒng)。 如前所述，32位ARM處理器常用于驅動可穿戴設備，因為其能夠提供最佳性能與高能效。賽普拉斯的PSoC等現代控制器完全利用ARM架構的功能優(yōu)勢在單個芯片中集成了高級模擬功能、可編程數字功能以及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。之所以需要這么做是因為設備可能具有需要實時分析以及CPU支持的傳感器數據負載。此功能稱為傳感器集線器或傳感器融合。下圖說明了傳感器集線器在可穿戴系統(tǒng)中的作用。 圖1 – 傳感器集線器在可穿戴系統(tǒng)中的作用 操作系統(tǒng)： 根據類型和所提供的功能，可穿戴設備可能需要、也可能不需要特定的操作系統(tǒng)。例如，一個用于監(jiān)測溫度、采用3軸加速計測量運動以及用單色段式LCD顯示時間的簡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(tǒng)。 同時，傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特殊固件。 市場細分 至此我們已經了解了典型可穿戴設備的需求，相應地進行市場細分也十分重要。正確的市場細分使設計人員能夠開發(fā)合適的產品，同時幫助用戶選擇最佳設備。下表根據設備功能進行市場細分。表格中細分市場的復雜性自上而下增加。 表1 – 可穿戴設備的市場細分 可穿戴電子設備中的組件 現在我們來看一下典型可穿戴系統(tǒng)的組件。下圖給出了一個可穿戴系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)包含了我們前文所述的所有功能。 請注意，根據所采用的主處理器的類型，可以在單個處理器芯片中集成更多的外設功能。例如，賽普拉斯大部分的PSoC器件都可以輕松集成電容式感應功能，并且無需單獨的觸摸控制器。同樣地，賽普拉斯PSoC4(旗艦cortex M0器件)可以集成段式LCD驅動器。 可穿戴設備的重要子系統(tǒng)是數據采集或傳感器子系統(tǒng)。根據器件的類型，其可能是只有幾個MEMS傳感器的簡單系統(tǒng)，也可能是采用專用傳感器集線器連接相關傳感器的復雜系統(tǒng)。MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運動的健身和健康設備中發(fā)揮著關鍵作用。這些傳感器又稱為運動傳感器。所有這些傳感器都是通過I2C或SPI通信接口提供數字式運動信息。此類傳感器的示例包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計和氣壓高度表。 圖2 – 可穿戴電子系統(tǒng) 另一種傳感器類別是廣泛應用于醫(yī)療保健設備的模擬傳感器。此類傳感器示例包括心率監(jiān)控器、EEG等生物計量傳感器。模擬傳感器需要稱為模擬前端(AFE)的特殊組件。AFE包含運算放大器、濾波器和ADC，其用于將模擬信號調節(jié)并轉換成數字信號，以便于CPU處理。此功能有時可與CPU集成，例如賽普拉斯的PSoC，其通信功能可以直接用作傳感器集線器。 還有一個重要的子系統(tǒng)是用戶界面(UI)系統(tǒng)。用戶如何與可穿戴設備交互是極其重要的考慮因素。為了最大限度地降低復雜性，交互應當盡可能地直觀。流行的UI技術是電容式觸摸感應技術，其經驗證為目前最直觀的UI。根據相關應用的不同，可以采用多種方式實現電容式UI，如：觸摸屏、按鍵與滑條等。另外，LED、蜂鳴器和振動電機等UI元件可以幫助實現設備向用戶提供的提醒與反饋。例如，與手機連接的智能手表需要在有消息時提醒用戶。脈寬調制(PWM)是驅動這些元件的關鍵。PWM可用于實現調光等各種LED效果，而且還能提供實現觸覺反饋的各種振動效果。如果在固件中實現，這些技術需要精確的定時和頻繁的CPU處理。因此，關鍵是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。例如，賽普拉斯的PSoC4可以支持被稱為TCPWM的硬件PWM塊。 MCU能夠解決上述挑戰(zhàn)! 除了需要應用處理器的高級信息娛樂設備之外，MCU可以充分滿足大多數可穿戴設備的需求。另外，最新MCU可在單個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。例如，賽普拉斯的PSoC能夠集成以下功能(請注意：功能的可用性取決于相關部件)。如欲了解有關相關部件的更多詳情，敬請訪問：www.cypress.com/psoc。 ? 低功率32位ARM架構(支持ARM cortex M0與M3); ? 256KB閃存，64KB RAM; ? 電容式觸摸感應; ? 段式LCD驅動器; ? 硬件PWM; ? SPI/I2C/UART通信; ? 模擬前端(比較器、12位SAR ADC); ? 全速USB 2.0 智能手表的應用示例 我們在本文結尾來看一下采用PSoC和外部組件能夠實現的一種典型智能手表的方框圖。這樣能夠讓您了解系統(tǒng)級實現方案，以及PSoC能夠如何幫助快速開發(fā)解決方案。中間的藍色方框表示能夠集成到單個PSoC的功能。 圖3 – 典型的智能手表系統(tǒng) |
