如何用MCU設(shè)計(jì)可穿戴電子產(chǎn)品

　　“可穿戴”設(shè)備是指人體可穿戴的微型電子產(chǎn)品，通常與現(xiàn)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(xì)分市場(chǎng)正迅猛發(fā)展，因此對(duì)于更小型化、更直觀的設(shè)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(xiàn)出這一發(fā)展趨勢(shì)。除了消費(fèi)類市場(chǎng)之外，醫(yī)療行業(yè)也對(duì)身體狀況與功能的監(jiān)控設(shè)備有著更高的需求。

　　可穿戴設(shè)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(zhí)行更多功能，因此，集成成為了另一大要素。我們將會(huì)在本文中探討可穿戴電子系統(tǒng)的不同需求、如何根據(jù)有關(guān)需求細(xì)分市場(chǎng)、典型可穿戴設(shè)備中的不同組件和MCU如何滿足相關(guān)需求。

　　可穿戴設(shè)備的需求

　　美觀：可穿戴設(shè)備需要時(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。美觀非常重要，以至于英特爾等半導(dǎo)體巨頭都在同時(shí)尚行業(yè)攜手打造時(shí)尚設(shè)備。

　　電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。電容式用戶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(yīng)等。賽普拉斯的CapSense和TrueTouch技術(shù)使此類需求變得切實(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(shè)備。不過與此同時(shí)，設(shè)備還應(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：由于可穿戴設(shè)備是由電池供電，因此降低其功耗存在特殊挑戰(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，它需要始終打開并且保持連接。例如，智能手表需要始終顯示時(shí)間，并通過藍(lán)牙等無線方式連接到手機(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。不過由于設(shè)備需要降低整體尺寸，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)等無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗。

　　無線通信：無線連接對(duì)于可穿戴設(shè)備而言非常重要，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。

　選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用處理器或微控制器

　　除了需要應(yīng)用處理器的高級(jí)信息娛樂設(shè)備之外，MCU可以充分滿足大多數(shù)可穿戴設(shè)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(duì)降低可穿戴設(shè)備的整體尺寸和BOM成本都具有重要作用。

　　舉例來說，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處理器在可穿戴設(shè)備中非常受歡迎，因?yàn)槠淠軌蛱峁┳罴研阅芘c高能效。PSoC等現(xiàn)代控制器利用ARM架構(gòu)的功能優(yōu)勢(shì)在單個(gè)芯片中集成了高級(jí)模擬和可編程數(shù)字功能，同時(shí)還采用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。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”。圖1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(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。