MCU在可穿戴電子產(chǎn)品中的作用

　　
      可穿戴技術(shù)現(xiàn)在是消費(fèi)類電子行業(yè)的熱門用語(yǔ)。每家消費(fèi)類電子產(chǎn)品公司都聲稱要推出可穿戴設(shè)備。它們是我們能夠穿戴的微型電子設(shè)備，通常與現(xiàn)有配飾(如：手表)集成或者取而代之。

　　隨著可穿戴設(shè)備行業(yè)的當(dāng)前變革，對(duì)于更小、更直觀的設(shè)備的需求正在迅猛增加。這個(gè)新興行業(yè)的當(dāng)前設(shè)備趨勢(shì)包括智能手表、智能眼鏡以及體育與健身活動(dòng)跟蹤器。除了消費(fèi)類電子產(chǎn)品，它同時(shí)也在醫(yī)療行業(yè)催生令人關(guān)注的需求。

　　顯然，這些設(shè)備所包含的電子產(chǎn)品需要“瘦身”。最重要的電子組件應(yīng)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(huì)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(jù)這些需求細(xì)分市場(chǎng);

　　• 典型可穿戴設(shè)備中的不同組件;

　　• 最后我們將探討MCU如何有助于滿足相關(guān)需求。

　　本文結(jié)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(shuō)明一種智能手表。

　　可穿戴設(shè)備的需求

　　我們首先看一下可穿戴設(shè)備的典型需求。

　　美觀：

　　可穿戴設(shè)備的最重要需求是美觀。最終產(chǎn)品需要時(shí)尚漂亮，而且需要能夠搭配當(dāng)前的時(shí)尚配飾，如：裝飾品、手表、眼鏡等。僅憑英特爾等半導(dǎo)體巨頭與時(shí)裝行業(yè)攜手打造時(shí)尚設(shè)備這一點(diǎn)就能夠說(shuō)明此項(xiàng)需求至關(guān)重要。

　　電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)此，電容式用戶界面的關(guān)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(yīng)等。賽普拉斯的CapSense 與TrueTouch技術(shù)能夠使此類需求變得切實(shí)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(shè)備。但同時(shí)不可以減少或降低其展現(xiàn)的功能。因此，此類器件中采用的組件在保持小尺寸的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)在相同空間集成更多功能。片上系統(tǒng)(SoC)和芯片級(jí)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(xiàng)的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件。

　　防水：

　　可穿戴設(shè)備會(huì)被用戶帶到任何地方。因此，關(guān)鍵是這些設(shè)備的設(shè)計(jì)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(shè)備是由電池供電，因此，以下因素在其功耗降低方面帶來(lái)了特殊挑戰(zhàn)：

　　• 由于可穿戴設(shè)備大部分是監(jiān)控設(shè)備，與其它移動(dòng)設(shè)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(lán)牙等無(wú)線方式連接到手機(jī)，以便接收提醒;計(jì)步器需要一直計(jì)算步數(shù)并向手機(jī)應(yīng)用報(bào)告;同樣，心率監(jiān)控器需要一直提供監(jiān)控和報(bào)告。

　　• 由于需要降低整體尺寸，因此會(huì)從內(nèi)在限制電池容量。

　　這些設(shè)備需要以超低功率運(yùn)行，以延長(zhǎng)電池使用壽命。此項(xiàng)需求對(duì)MCU與固件算法提出了特殊要求。32位ARM架構(gòu)是可穿戴設(shè)備常用的CPU技術(shù)，因?yàn)樗芴峁┳罴研阅芘c高能效。另外可設(shè)計(jì)采用ANT+、低功耗藍(lán)牙(BLE)等無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗。

　　無(wú)線通信：

　　由于具有更高的靈活性與自由度，無(wú)線連接已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的一大自然特性。無(wú)線連接對(duì)于可穿戴設(shè)備而言更加重要，因?yàn)楹笳咝枰c一個(gè)或多個(gè)設(shè)備進(jìn)行交互。根據(jù)類型和所提供的功能，此類設(shè)備需要支持不同的無(wú)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(shè)備需要支持多種協(xié)議。例如，某種腕表采用專有無(wú)線協(xié)議與心率監(jiān)控胸帶通信，同時(shí)采用BLE與手機(jī)中的跑步應(yīng)用進(jìn)行通信。

　　應(yīng)用處理器/嵌入式控制器：

　　主處理器的選擇僅僅取決于設(shè)備的類型與功能。例如，ARM cortex-M控制器可以驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的腕帶，但是智能手表需要采用應(yīng)用處理器，以便運(yùn)行Android等復(fù)雜的操作系統(tǒng)。

　　如前所述，32位ARM處理器常用于驅(qū)動(dòng)可穿戴設(shè)備，因?yàn)槠淠軌蛱峁┳罴研阅芘c高能效。賽普拉斯的PSoC等現(xiàn)代控制器完全利用ARM架構(gòu)的功能優(yōu)勢(shì)在單個(gè)芯片中集成了高級(jí)模擬功能、可編程數(shù)字功能以及ARM cortex-M內(nèi)核等。

　　一些高級(jí)設(shè)備采用獨(dú)立的協(xié)處理器把傳感器數(shù)據(jù)處理工作從主處理器上轉(zhuǎn)移出來(lái)。之所以需要這么做是因?yàn)樵O(shè)備可能具有需要實(shí)時(shí)分析以及CPU支持的傳感器數(shù)據(jù)負(fù)載。此功能稱為傳感器集線器或傳感器融合。下圖說(shuō)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(jù)類型和所提供的功能，可穿戴設(shè)備可能需要、也可能不需要特定的操作系統(tǒng)。例如，一個(gè)用于監(jiān)測(cè)溫度、采用3軸加速計(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)以及用單色段式LCD顯示時(shí)間的簡(jiǎn)單腕表可以運(yùn)行輕量型RTOS，而用于擴(kuò)展手機(jī)功能的智能手表需要運(yùn)行Android等高級(jí)操作系統(tǒng)。

　　同時(shí)，傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

　　市場(chǎng)細(xì)分

　　至此我們已經(jīng)了解了典型可穿戴設(shè)備的需求，相應(yīng)地進(jìn)行市場(chǎng)細(xì)分也十分重要。正確的市場(chǎng)細(xì)分使設(shè)計(jì)人員能夠開(kāi)發(fā)合適的產(chǎn)品，同時(shí)幫助用戶選擇最佳設(shè)備。下表根據(jù)設(shè)備功能進(jìn)行市場(chǎng)細(xì)分。表格中細(xì)分市場(chǎng)的復(fù)雜性自上而下增加。

　　表1 – 可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)細(xì)分