芯片級尺寸的MCU如何適應可穿戴設計中的尺寸限制？

　　消費類電子產(chǎn)品經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)有無數(shù)種各類用途的設備，從專業(yè)設備到個人消費品。雖然存在性能和功能的差異，但是消費類電子產(chǎn)品往往遵循相同 的設計趨勢：設備功能變得越來越強大、體積小巧和省電。可穿戴設備集中體現(xiàn)了這一趨勢，它是一種便攜、電池供電、高集成度的設備，負責從高精度模擬測量到 直觀用戶界面的所有一切。可穿戴式設備開發(fā)人員必須仔細的在多種集成電路(IC)中匹配產(chǎn)品的需求，有時還需要同時應對相互矛盾的優(yōu)先選項。

　　例 如，讓我們仔細思考，在靈巧的可穿戴式設計中如何兼顧尺寸、電池壽命和功能，同時又不忽視可穿戴設備的特殊性：包括它們的個性化功能和吸引力。我們以“功 能單一”類型的可穿戴設備為例——一個沒有屏幕、紐扣電池供電的計步器，可以在當用戶需要運動時提醒用戶，同時也能夠保持跟蹤一整天的步數(shù)。一個簡單的電 容感應觸控接口實現(xiàn)用戶輸入，一個三色LED提供剛好夠用的富有表現(xiàn)力的輸出，這使產(chǎn)品可以提供方便且具吸引力的個性功能。這個產(chǎn)品設計展示了功能強大的 IC如何塞入小型封裝中，有助于促進創(chuàng)新和產(chǎn)品差異化。

　　我們的產(chǎn)品需求

　　讓我們先來勾畫出產(chǎn)品的基本需求。在定義了功能集之后，我們能夠選擇負責各項功能的組件。這是一款精簡到只?；竟δ艿挠嫴狡鳌]有提供屏幕、蜂鳴器或者iPhone應用程序，該設備有意突出它的簡樸和小尺寸。它的用戶接口同樣簡潔明了。

　　基本設計需求包括：

　　? 最小化可實現(xiàn)的外形尺寸：帶有外殼的產(chǎn)品應當在各項尺寸上盡可能接近CR2032電池的大小，因此用戶能夠在口袋中攜帶該設備，或者掛到他們的鑰匙鏈上。

　　? 用戶輸入：在紐扣電池形狀殼體的一側(cè)，提供能夠識別如下輸入的電容觸摸接口：

　　o 滑動：解除提示用戶需要起立的報警

　　o 輕敲并保持：開啟新的一天(復位計步器)

　　o 輕敲：檢查一天中的步數(shù)

　　? 簡單的輸出：在殼體某處裸露的LED提供所有輸出：

　　o 紅色：定時的短閃爍表示用戶已經(jīng)保持不動太長時間了

　　o 綠色雙閃：當用戶開始新一天時通過輕敲并保持動作觸發(fā)

　　o 1秒鐘紅/黃/綠輸出：指示一天內(nèi)達到33%、66%和100%步數(shù)的百分比，在輕敲觸摸接口后持續(xù)幾秒鐘

　　如何實現(xiàn)小型化?

　　CR2032 電池的直徑是20mm，高度是3mm。很顯然，我們的系統(tǒng)必須比它稍微大些，但是我們?nèi)绾卧诂F(xiàn)實中實現(xiàn)可穿戴設備的小型化呢?讓我們假設產(chǎn)品的塑料外殼能 夠做的非常薄，因此在直徑上它增加的長度不會超過5mm，同時易于支持電池更換。對于高度，我們?nèi)绾巫钚』撛O計的高度并保持大致紐扣電池那樣的尺寸呢? 在產(chǎn)品的垂直堆疊中，它的高度由四種器件尺寸構(gòu)成：電池、印制電路板(PCB)、PCB上的器件和產(chǎn)品的塑料外殼。對于四層PCB來說，PCB厚度大約為 0.5mm。而如何最小化焊接到該PCB上的器件高度需要仔細進行型號選擇。這時尋找高性能的芯片級尺寸封裝的器件對于我們的設計來說至關重要。

　　芯片級尺寸封裝的好處

　　晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)代表了制造和芯片組裝技術中多年持續(xù)進步的成果。在WLCSP封裝中，硅被直接連接到封裝一側(cè)的焊球上，與之相反，舊有技術通過綁定線連接硅端口焊盤到封裝引腳。這種設計的影響是封裝能夠設計成寬度和高度都接近內(nèi)部硅片自身尺寸的大小。

　　IC 供應商們爭相發(fā)布WLCSP的封裝支持現(xiàn)有的多種設備，從而獲得極小封裝類型的好處。此時會出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是：一些廠商的硅片相當大，以至于它在獲得更小尺寸 的封裝上沒有競爭力。來自Silicon Labs的EFM8SB1 MCU非常適合CSP封裝類型，這是因為雖然該MCU有極高的功能密度，但是它已經(jīng)適應小封裝尺寸(例如3mm×3mm QFN封裝)。EFM8SB1 WLCSP封裝尺寸僅為1.78mm×1.66mm。

　　EFM8SB1 MCU成為這個設計和其他可穿戴設計的理想選擇，它的關鍵特性包括：

　　? 8位MCU提供超低功耗、高靈敏度電容感應輸入。

　　? 片上實時時鐘能夠周期的從超低功耗(~300nA)狀態(tài)喚醒系統(tǒng)。在這個設計中，這個時鐘的一個用途就是測量從最近一次走動以來的時間，并發(fā)送活動通知去鼓勵用戶站起來并走動。

　　? 2-8kB閃存和512字節(jié)的RAM維持在整個低功耗周期內(nèi)，結(jié)合25MHz的8051內(nèi)核使這個小設備具有執(zhí)行邏輯和進行多種系統(tǒng)響應的能力。

　　接 下來是計步器的選擇。為了充分利用CSP封裝的MCU所帶來的超薄特性，所有板上的集成電路理論上也要選擇CSP封裝的器件。出于這個原因，我們的板上加 速計理論上也應當支持CSP封裝。最新發(fā)布的Bosch BMA355提供高集成度的傳感器，在片上實現(xiàn)多種三軸事件監(jiān)測，可以通過SPI接口與EFM8 MCU進行通信交互的事件。

　　因為兩個IC器件以及必要的幾個分立被動器件都能夠采用超薄封裝，因此產(chǎn)品的塑料外殼可制成超薄的并且靠近電容感應面，從而優(yōu)化觸摸靈敏度。其產(chǎn)品外殼甚至能夠在靠近電容感應焊盤區(qū)域有輕微的錐度，以壓縮板上PCB和板上器件之間形成微小的空間間隙。

　　電路板布局

　　使用CSP封裝器件最大化的電路板空間，使得我們能夠在PCB上實現(xiàn)電容感應接口。MCU和加速計應集群分布在大體成圓形的PCB一側(cè)的邊緣，連同可以裸露的LED一起。當然LED可能需要在設備的封裝殼上開孔來展現(xiàn)。

　　為 了檢測手指滑動，電路板必須有兩個電容傳感器，理論上是相同尺寸的兩個傳感器，沿著他們相同的邊沿輕微的交錯開。這兩個傳感器應當占去板上MCU側(cè)的大部 分面積，然而它們應當被第三個細小的傳感器圍繞，同時這第三個傳感器也圍繞著其他兩個傳感器。這第三個傳感器在用戶交互過程中提供我們MCU在進行觸摸和 滑動檢測過程中所需要使用的關鍵信息。

　　觸摸檢測

　　可穿戴設備的極度便攜性意味著這些設備通常放在身上或者手中。對于測量傳導物質(zhì)(例如手或者皮膚)接近的設備來說，被設備檢測到的接近恒定的人體接觸可能導致觸摸檢測問題。幸運的是，該設計中所選擇的MCU和加速計的特點幫助開發(fā)人員克服了這些挑戰(zhàn)。

　　雖然該系統(tǒng)有三個電容傳感器，但是實際上它有四個觸摸輸入。加速計提供了中斷驅(qū)動的輕敲探測器，能夠通過固件檢測觸摸事件并且以多種方式提供接口給我們。憑借加速器輕敲檢測器的優(yōu)勢，由EFM8SB1 MCU檢測的觸摸經(jīng)過以下階段：

　　? 在設備邊沿處的邊界傳感器處檢測到正向增量，執(zhí)行一個輸入使用案例，這是用戶沿著設備的邊沿拿著設備，或者用手掌完全圍繞設備邊沿握持，馬上接下來是：

　　? 輕敲檢測事件由加速計發(fā)出，同時與下列事件保持一致

　　? 在中心的電容傳感器其一或全部檢測到顯著幅度的正向增量

　　MCU的固件可以通過Silicon Labs Simplicity Studio開發(fā)環(huán)境提供的電容感應固件庫實現(xiàn)所有電容感應觸摸檢測和過濾。

　　低功耗功能

　　加 速計和MCU都能夠被配置在低功耗模式下操作。電容感應固件庫使得EFM8SB1 MCU能夠進入~300nA的睡眠模式，并且周期性的喚醒去檢查電容傳感器上的活動事件。如果加速計發(fā)信號通知事件已經(jīng)檢測到并且數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒，那么 MCU也能夠使用端口匹配喚醒事件去異步喚醒。

　　EFM8SB1 MCU將保持在低功耗狀態(tài)，并且僅僅消耗不到1μA電流，除非有下列情況之一發(fā)生：

　　? 觸摸檢測事件需要對電容感應輸入監(jiān)視進行更多響應

　　? 加速計活動事件(例如輕敲檢測或者腳步檢測中斷)需要MCU喚醒去服務這些中斷

　　? 運動通知事件，設備開關LED去鼓勵用戶站起并走動

　　與此同時，加速計被配置來實行最低的功耗操作狀態(tài)，同時僅僅在輕敲事件或者在三軸之一檢測到變化時才發(fā)送信號。但是片上緩存數(shù)據(jù)能夠最小化MCU和加速計之間的交互次數(shù)，進一步優(yōu)化電池使用壽命。

　　MCU從加速計讀出緩沖數(shù)據(jù)之后，一些附加的檢查和分析必須被執(zhí)行以確定是否有后續(xù)步驟。一旦三軸數(shù)據(jù)與存儲在EFM8SB1設備上的歷史數(shù)據(jù)相比較后，MCU可以更新其計步器，并且快速返回到低功率狀態(tài)。

　　下一步?

　　本 示例中展示了可穿戴設備領域內(nèi)“單一功能”類型的終端產(chǎn)品。在示例中CSP尺寸的集成電路操作所帶來的功能密度、精確度和能效也說明了如何使用和控制這類 IC。例如，在可穿戴設計中描述的產(chǎn)品可以被視為更大產(chǎn)品中的一個子系統(tǒng)，其中芯片尺寸的MCU可作為低功耗傳感器集線器運行，去管理觸摸接口和加速計。 隨著硅芯片供應商設法集成更多特性到更小封裝中，需要系統(tǒng)開發(fā)人員充分利用這些創(chuàng)新去獲得產(chǎn)品設計的靈感。