可穿戴電子的市場動向及芯片解決方案

　　魯 冰 （《電子產(chǎn)品世界》編輯，北京 100036）

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

　　關鍵詞：可穿戴；手表；保健；醫(yī)療；藍牙

　　1 可穿戴市場：智能手表、耳穿戴設備、健身手環(huán)增長快

　　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29%。這一數(shù)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年智能手表市場將持續(xù)增長，功能手表市場增速放緩，耳穿戴設備市場增長加速，而虛擬現(xiàn)實市場規(guī)?？s水，健身手環(huán)市場經(jīng)過幾年衰退后，2019年恢復適度增長。 蘋果、小米和Fitbit將繼續(xù)爭奪全球可穿戴設備市場的領導地位。

　　全球健身手環(huán)的出貨量在2019年Q2（第2季度）同比增長62％。在2018年遭受持續(xù)下滑之后，健身手環(huán)市場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推動了整個細分市場，并且正在與Ace一起探索兒童定位領域。與此同時，由于華為等競爭對手的激烈競爭，F(xiàn)itbit正在失勢。

　　全球智能手表出貨量從2018年Q2的860萬同比增長44%，到2019年Q2的 1 230萬。智能手表增長繼續(xù)飆升，這是由于消費者越來越多地使用以健身為主導的可穿戴設備來作為他們智能手機的附件。而智能手表的操作系統(tǒng)仍然碎片化嚴重：蘋果的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(jiān)控并測量每日運動數(shù)據(jù)。例如，慢跑者喜歡在跑步時監(jiān)視他們的心率，或者消費者來監(jiān)測每日運動步數(shù)和距離?？纱┐髟O備最終將成為消費者手腕上的實時醫(yī)生。同時，中國和印度的兒童智能手表市場正經(jīng)歷爆發(fā)式增長。諸如Imoo Z5或Z3等機型在兒童定位和父母與孩子進行交流或兒童體育活動方面相對受歡迎。

　　2 體征信號檢測設備的趨勢

　　體征信號監(jiān)測方面的產(chǎn)品主要分為兩個主要市場，包括專業(yè)的監(jiān)護類產(chǎn)品（多用于醫(yī)院內(nèi)）和可穿戴產(chǎn)品（個人消費品或個人健康產(chǎn)品）。目前院內(nèi)院外的體征信號監(jiān)測設備有融合的趨勢，ADI認為具有醫(yī)療性能的穿戴產(chǎn)品會越來越多地受到市場的歡迎。它們共同的需求是高性能，低功耗，便于穿戴，無線傳輸，具備醫(yī)療性能。

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

　　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設計使用。ADI專門應用于光電法的各類生理體征信號監(jiān)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(qū)動器+環(huán)境光抑制等，輸出的直接是I²C的數(shù)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則進一步提高了進光效率和電流轉(zhuǎn)化率（CTR）；使得該類應用在功耗、性能、設計簡易度、簡化客戶的產(chǎn)線流程以及成本等方面又獲得了優(yōu)化和突破進展。

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

　　ADI專門用于高精度阻抗測量的模擬前端AD5940和高精度、低功耗片上計量儀ADucM355為身體生物電阻抗分析（BIA）、皮電活動EDA/GSR等提供了簡單易用、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，可以同時支持PPG、ECG和生物阻抗（Bio-Z），并且在信噪比、功耗上進一步提升，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(yī)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B(yǎng)T5.0和5G的大環(huán)境下，智能手表等可穿戴設備以及健康監(jiān)護等物聯(lián)網(wǎng)設備正在不斷擴大其市場。而這些應用也面臨著共同的挑戰(zhàn)：

　　?終端用戶對可穿戴產(chǎn)品中健康數(shù)據(jù)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；

　　?隨著市場對系統(tǒng)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(nèi)關注的領域；

　　?“如何在市場中實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化”也是設計人員在思考的問題，尋找產(chǎn)品的潛在附加價值成為一個值得探索的話題，如室內(nèi)定位等。

　　為此，這里介紹 TI 的三大類解決方案。

　　3.1 具備專業(yè)醫(yī)療功能的信號鏈解決方案

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

　　1）TI的專利性架構(gòu)幫助產(chǎn)品廠商實現(xiàn)更高的信噪比（>100dB SNR），從而優(yōu)化產(chǎn)品的測量靈敏度；

　　2）TI的專利模擬信號處理為產(chǎn)品帶來更多功能：光學心率檢測，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，到后來業(yè)內(nèi)首個完全集成ECG（心電圖）和PPG（光電容積圖）的產(chǎn)品AFE4900，TI致力于實現(xiàn)對用戶身體狀況更全面的監(jiān)測。

　　1）AFE4900：設計人員可以利用其同步采集ECG和PPG數(shù)據(jù)，計算脈沖傳輸時間（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個可切換發(fā)光二極管（LED）和4個光電二極管，可以定義多達 16 個信號相位，并且可以以同步方式從每個相位獲取信號，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(nèi)，可以支持高達100dB的動態(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(xù)監(jiān)測。

　　3.2 助力低功耗、小體積、高性能的電源開發(fā)設計

　　TI的降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品可為負載極輕的系統(tǒng)（低于100 μA）提供更長的電池壽命，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(jié)AAA電池代替4節(jié)AA電池，可節(jié)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的負載下實現(xiàn)80%的效率，比業(yè)界同類產(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。其充電參數(shù)可通過I²C編程，并集成ADC的系統(tǒng)監(jiān)控，使得電池充電更為靈活安全。

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

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

　　結(jié)合藍牙5.0技術，TI在CC2642/CC2640R2F SDK中提供RTLS（實時定位系統(tǒng)）工具箱，同時支持RSSI（接收信號強度）/AOA（到達角度）/TOF（飛行時差測距）三種不同定位技術。

　　4 NFC和MCU助力可穿戴開發(fā)

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

　　其實，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的待機時間，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(shù)據(jù)記錄，還需要支持更多消費者日常使用場景，比如支付和蜂窩網(wǎng)絡的無線連接等等。

　　為了滿足并解決產(chǎn)品開發(fā)和使用中的各種“痛點”，終端產(chǎn)品廠商對于元器件有3個維度的期待：

　　?支持更豐富的產(chǎn)品功能；

　　?更低的功耗和封裝布板面積；

　　?應用服務的快速一站式接入能力。

　　為了更好地滿足可穿戴市場的消費者和產(chǎn)品廠商的需求，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(nèi)首個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Cortex-A7核和一個Cortex-M4核，兩個核處于完全獨立的兩個域。Cortex-A7可以運行在Linux操作系統(tǒng)上，Cortex-M4則是非常低功耗的核。在絕大多數(shù)情況下，Cortex-A7核處于關閉狀態(tài)，此時Cortex-M4會處理一些基本的任務，保證設備低功耗運行。該產(chǎn)品的一個很好的應用場景是智能手表。

　　3）Secure Service2Go端到端解決方案。NFC的應用服務上線一直是客戶的痛點之一。而為了解決這一痛點，恩智浦開發(fā)了一整套端到端的解決方案，支持客戶的產(chǎn)品接入全球支付網(wǎng)絡和公交收費系統(tǒng)，該方案已經(jīng)在一些主流的可穿戴客戶的產(chǎn)品上落地。

　　此外，恩智浦還有很多的解決方案，包括為支持無線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線傳輸?shù)腘FMI解決方案等。

　　5 醫(yī)用助聽器與藍牙芯片方案

　　如今，可穿戴產(chǎn)品的演變從人們當初單純的便攜娛樂需求轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在附帶各種身體健康參數(shù)的測試和提醒，通過這種功能達到對自己身體健康負責的態(tài)度。人類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可穿戴設備上，這個設備的體積不可想象，肯定不會滿足“可穿戴”形式要求，給用戶會帶來極大的不便利性。

　　同時可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品區(qū)別于傳統(tǒng)醫(yī)療產(chǎn)品之處就是其便利性和實時性，這就需要可穿戴產(chǎn)品可持續(xù)工作的時間可以滿足用戶使用的頻率，因此對產(chǎn)品的功耗有極其苛刻的要求。

　　為了提升客戶的體驗，隨著5G時代萬物互聯(lián)的時代到來，用戶也期望可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品可以與手機直聯(lián)，同時把監(jiān)測醫(yī)療健康數(shù)據(jù)存入云端進行大數(shù)據(jù)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、帶無線連接功能等特點的芯片方案，同時測試的性能上要求準確可信。

　　安森美半導體是業(yè)界少有的在公開市場上提供專業(yè)助聽器芯片的廠商，目前推出高集成度、低功耗的小型芯片Ezairo7160, 采用65 nm技術，把多路A/D、D/A、DSP、EEPROM、無線藍牙低功耗(BLE)、晶振等功能模塊集成到3.8 mm×6.6 mm的系統(tǒng)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)品將采用更加先進的22 nm技術，以達到更高的集成度和低功耗的特點。

　　同時，安森美半導體醫(yī)療部門根據(jù)市場需求推動超低功耗BLE 5.0芯片RSL10，這款芯片同時采用雙核架構(gòu)，集成了先進優(yōu)化的M3內(nèi)核和DSP內(nèi)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(gòu)和功耗，契合了可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品的特點。

　　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(xiàn)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，更能通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實現(xiàn)強大的功能。

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

　　憑借對可穿戴產(chǎn)品市場的觀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系列具有先進的內(nèi)置電源管理單元，將模擬和數(shù)字外設進行了獨特結(jié)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(nèi)置了ERM和LRA驅(qū)動器，為用戶提供觸覺反饋。當然一如既往，Dialog對安全的關注和支持提高到了一個新的高度。同時由于采用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。其中一個藍牙5.1標準特性就是應用到達角度（AoA）和離開角度（AoD）進行尋向定位，可以應用于室內(nèi)定位、物品追蹤、門禁、無鑰開鎖等方案。

　　7 可穿戴產(chǎn)品的無線連接案例及動向

　　傳感器技術的進步使得健身腕帶和跟蹤器能夠監(jiān)測多種身體運動和空間定位。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(tǒng)級芯片）而設計，通過在用戶智能手機(iOS或安卓OS)上運行的應用程序，以無線方式報告一系列運動指標數(shù)據(jù)。

　　同樣在醫(yī)療領域，傳感器技術的進步使得醫(yī)護人員能夠通過輕便且舒適的可穿戴設備對患者進行24小時/7天遠程監(jiān)控。例如，Actigraph為其CentrePoint InsightWatch選擇了nRF52832，這款手表專為醫(yī)療應用而設計，用于臨床試驗和健康研究人員。

　　用戶希望這些健康設備可靠且輕巧，并同時提供一系列功能。此外，他們還想從微型電池中獲得長使用壽命，這些需求意味著制造商面臨嚴峻的設計挑戰(zhàn)。為此，Nordic可以提供經(jīng)過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線通信功能，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64 MHz的32位Arm Cortex-M4F處理器，可在512 kB閃存中存儲數(shù)據(jù)，而64 kB RAM則支持許多可穿戴應用的典型算法過濾需求。

　　雖然nRF52840通常被認為是Nordic的高端SoC，但也可用于可穿戴設備。例如深圳市愛都科技有限公司的ID205智能手表采用nRF52840 SoC，以無線方式訪問和控制用戶智能手機的某些功能，是擁有超過14種運動模式的運動手表。

　　迄今為止，大多數(shù)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將一個應用MCU、全LTE調(diào)制解調(diào)器、RF前端和電源管理集成在10 mmx16 mmx1 mm SiP（系統(tǒng)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cIoT進行單獨的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)通信。

　　參考文獻

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