無線可穿戴產(chǎn)品致勝設(shè)計策略

　　當美國漫畫家Chester Gould在Dick Tracy的手腕上畫出手表圖案時，他一點也沒有意識到，科幻小說能在70年后變?yōu)楝F(xiàn)實。作為一名連環(huán)畫畫家，Gould想象出未來設(shè)備，卻沒有考慮太多細節(jié)。如今，這些非常真實的腕上設(shè)備和其他無線可穿戴設(shè)備(WWD)為工程師帶來一系列他們必須克服的設(shè)計細節(jié)挑戰(zhàn)。工程師必須在經(jīng)濟實惠、引人注目、超緊湊的設(shè)計中無縫集成復(fù)雜的傳感、處理、顯示和無線技術(shù)，且可在單一、小巧和具有成本效益的電池供電下工作數(shù)個月，甚至數(shù)年。下面讓我們一起來討論對于可穿戴設(shè)備、技術(shù)和組件選擇的具體需求，以及如何在超小的外形尺寸中實現(xiàn)復(fù)雜功能、長電池使用壽命和無縫無線連接。

　　在可穿戴產(chǎn)品設(shè)計中，工程師必須考慮三個關(guān)鍵因素：各種操作模式下的功耗(節(jié)能)、從匹配電路到天線之間的適當RF設(shè)計、以及設(shè)計中器件的集成度。我們將更詳細的討論集成所面臨的挑戰(zhàn)，因為很難在不考慮功耗和RF設(shè)計的情況下獨立討論這個因素。

　　大多數(shù)無線可穿戴設(shè)備涵蓋共同的組件，包括電池、天線、微控制器(MCU)、無線電和傳感器。從這個名單上看，顯而易見，電池將在很大程度上影響可能實現(xiàn)的功能和WWD的工作壽命?？紤]到電池電量將會快速耗盡，大多數(shù)WWD并非一直保持連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，因此通常我們假設(shè)通信是突發(fā)的和偶發(fā)的。此外，集成了無線電的MCU，通常被稱為無線MCU(WMCU)，它使用方便、節(jié)省電路板面積并且降低了功耗，因此我們也假設(shè)在可穿戴設(shè)計中采用WMCU。

　　為應(yīng)用選擇合適的WMCU是一項復(fù)雜的決策過程，因為對于功能豐富的設(shè)備的高功能性將受到電池操作壽命的限制。如果我們僅僅關(guān)注WMCU的峰值功耗，那么從電池壽命這一單一因素來看，評估結(jié)果是相當令人失望的。然而，WWD通常工作在多種不同的能耗模式(EM)，并且僅在極少情況下進入高功耗狀態(tài)。因此，通過考慮在各種能耗模式中所花費的時間，我們可以評估電池的實際使用壽命。

　　Silicon Labs為其基于ARM架構(gòu)的EFM32 MCU定義了5種能耗模式：EM0(活動/運行)、EM1(休眠)、EM2(深度休眠)、EM3(停止)和EM4(關(guān)閉)。這5種模式使得設(shè)計人員能夠靈活的決策和優(yōu)化系統(tǒng)的整體功耗。然而，能夠識別這些模式以及數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格數(shù)據(jù)并不能確?！霸诟鞣N模式下都獲得低功耗”，或者簡單的說，不能確保“節(jié)能”。確保節(jié)能并發(fā)展良好的終端客戶體驗是構(gòu)建WMCU可運行于這些不同模式的方法。事實上，依賴于突發(fā)傳輸之間的時間間隔，活動模式EM0可能僅占整體功耗中極小比例。而深度休眠模式EM2所占用的時間可以代表電池使用壽命的最大比例。

　　當為應(yīng)用選擇最佳WMCU時，工程師應(yīng)當關(guān)注以下特性，包括可提供高集成度、具有良好架構(gòu)的低功耗WMCU。超低功耗WMCU的一些特性無需多說，但也應(yīng)被完整的列出：

　　· 最低運行功耗(EM0)

　　· 最低待機電流(EM1和EM2)

　　· 微處理器內(nèi)核的選擇，包括8位和32位ARM Cortex(從M0+到M4)

　　· 無線電配置選擇，包括單收、單發(fā)、收發(fā)一體和性能等級

　　其他MCU特性，包括相關(guān)架構(gòu)和集成度，同樣重要而且需要進一步說明：

　　· 極短的喚醒時間

　　· 自主的外設(shè)操作

　　· 自主的外設(shè)間操作(外設(shè)反射系統(tǒng))

　　· 低能耗傳感器接口(LESENSE)

　　· 豐富的高能效外設(shè)和接口

　　· RF集成

　　最低待機電流和極短喚醒時間

　　當打算設(shè)計一個盡可能節(jié)能的無線可穿戴設(shè)備時，人們必須要想到所有可能的功耗優(yōu)化辦法。當設(shè)備喚醒時，它必須要盡可能快，如：盡可能快的收集和處理數(shù)據(jù)，然后盡可能快的返回到休眠模式。確保在休眠模式和活動模式之間快速轉(zhuǎn)換是一項必須要考慮到的關(guān)鍵要素。一個處理器在活動模式所花費的時間即使僅比另一個處理器多出10%，那么對電池壽命的影響也是巨大的。例如，假設(shè)處理器1花費99.9%的時間在休眠模式(1μA)，0.1%的時間在活動模式(10mA)，同時處理器2花費99.89%的時間在休眠模式，0.11%的時間在活動模式，那么第二個處理器的整體電流消耗將增加9.1%。有趣的是，如果處理器1和2在每6小時中分別處于活動模式100ms和110ms，那么其結(jié)果就會突顯出極低的深度休眠電流的重要性。在這種情況下，第二個處理器只比第一個多消耗0.44%的電量。然而，如果處于活動模式的時間相同，并且把深度休眠電流從1 μA增加到1.1 μA，那么電流消耗將上升9.6%!

　　自主的外設(shè)操作

　　取決于可穿戴設(shè)備的功能特性，可能需要對片上外設(shè)進行頻繁、甚至持續(xù)的交互或監(jiān)視。在這種情況下，CPU在這些時間內(nèi)要保持活動的需求將導(dǎo)致電池電量的消耗非常明顯。確保片上擁有無需CPU參與的自主操作能夠使系統(tǒng)運行在低能耗模式的同時，仍然能夠執(zhí)行非常高級的任務(wù)。這些外設(shè)可包括串行接口(例如，低能耗UART、免晶體USB)、I/O端口(例如，外部中斷、GPIO)、定時器和觸發(fā)器(例如，低能耗定時器、低能耗傳感器接口)、模擬模塊(例如，ADC、LCD控制器)和安全(例如AES加速器)。

　　自主外設(shè)之間的操作(外設(shè)反射系統(tǒng))

　　也有一些情況，外設(shè)之間可能需要進行通信。在這些情況下，一個外設(shè)需要能夠產(chǎn)生一個或者多個能夠立刻被另一個片上外設(shè)所感應(yīng)到的事件。例如，一個定時器能夠被設(shè)定創(chuàng)建一個事件，然后觸發(fā)一個ADC開始采樣。在外設(shè)之間使能自主的操作，無需喚醒CPU，能夠確保獲得最低的系統(tǒng)功耗。這種能力是Silicon Labs EFM32 MCU架構(gòu)的一個關(guān)鍵特性，被稱為外設(shè)反射系統(tǒng)(Peripheral Reflex System)。

　低能耗傳感器接口(LESENSE)

　　最終當CPU需要被喚醒以執(zhí)行特定任務(wù)時，大多數(shù)MCU被設(shè)置為在一系列特定時刻上喚醒，并監(jiān)視它的接口，如果沒有動作需要，它將返回到休眠模式。這些定期喚醒循環(huán)產(chǎn)生了不必要的電池能量消耗。EFM32 MCU采用的LESENSE架構(gòu)允許對模擬傳感器(電阻式、電容式和電感式)進行自主監(jiān)測，僅僅在相關(guān)事件或者條件滿足時才喚醒CPU，就跟其他事件處理一樣。例如，LESENSE能夠被設(shè)置去自主的監(jiān)測一個溫度傳感器，僅僅超過可編程的99華氏度門限時才通過外設(shè)反射系統(tǒng)喚醒CPU采取動作。因此，使用LESENSE能夠最小化CPU使能的時間，當不得不消耗最大功耗時，盡可能的縮短最大功耗時的運行時間。

　　豐富的高能效外設(shè)

　　開發(fā)一個在各種操作模式下都盡可能減少能耗的可穿戴設(shè)備需要仔細審查MCU的各個運行方面。雖然我們已經(jīng)討論了外設(shè)的自主操作，但我們還需要進一步討論外設(shè)本身的低功耗需求。如果外設(shè)本身功耗極大或者如果時鐘在非必要情況下使能，那么自主操作起到的作用也會非常小。

　　就外設(shè)本身而言，時鐘管理單元對于MCU或者WMCU整體功耗起著重要作用。時鐘管理單元可以對多種時鐘和振蕩器進行單獨控制，并且基于操作所采用的功耗模式和使能的外設(shè)進行最優(yōu)化時鐘選擇。使用低能耗振蕩器結(jié)合靈活的時鐘控制方案，能夠盡可能的最小化應(yīng)用中的功耗。高能效的時鐘管理單元包括低電流振蕩器、低啟動時間、動態(tài)系統(tǒng)時鐘分頻、時鐘門控、以及用于32kHz外設(shè)模塊和時鐘預(yù)分頻器。

　　低能耗自治UART的有效性對于獲得超低系統(tǒng)功耗也是同等重要的，尤其是在深度睡眠(EM2)模式，這時大多數(shù)其他外設(shè)與CPU都處于關(guān)閉狀態(tài)。UART應(yīng)該包括必要的硬件支持來最小化異步串行通信中的軟件干預(yù)。通過使用32.768 kHz時鐘源，低能耗的UART可支持高達9600 baud/s，并且當完成UART幀接收后，可以快速喚醒CPU。

　　當設(shè)備的大部分部件處于斷電狀態(tài)時，低能耗定時器能夠被用于定時和輸出，因此允許在執(zhí)行簡單任務(wù)的同時保持系統(tǒng)功耗絕對最小值。如果適當配置，這種定時器能夠提供高達16kHz頻率(32kHz振蕩器頻率的一半)的無差錯波形。

　　對于MCU或者WMCU中的模擬資源，例如ADC、DAC、LCD控制器、模擬比較器和其他外設(shè)，應(yīng)當仔細分析它們的功耗和靈活性。例如，12位1Msps ADC在全速時可消耗350 μA，但是并非所有應(yīng)用都需要運行在這種速率下。在僅需要6位、1ksps的應(yīng)用中，這時ADC僅消耗0.5uA，功耗顯著減少了。LCD控制器應(yīng)當能夠在沒有任何CPU干預(yù)下運行定制動畫，并且僅僅是更新數(shù)據(jù)時才喚醒CPU。

　　加密占用非常大的片上資源，且顯著消耗電池電量。最低成本的8位MCU通常需要把安全邏輯作為運行時代碼來執(zhí)行，而32位MCU最可能包括一個AES加速器。當硬件AES加速器可用時，它應(yīng)當有能力在無需CPU參與下自主運行，并且應(yīng)當包括支持自治密碼模式的DMA以最小化電池消耗。

　　RF集成

　　以上的討論內(nèi)容主要集中在MCU架構(gòu)之內(nèi)。然而，其他與無線收發(fā)器相關(guān)的特性也應(yīng)當關(guān)注?；趹?yīng)用需求，無線可穿戴設(shè)備可能從不需要接收信息，但是多數(shù)設(shè)備需要在一些時候發(fā)射數(shù)據(jù)。電池供電設(shè)備的低功效放大器會顯著增加系統(tǒng)功耗，并且使應(yīng)用增加電池尺寸和成本以滿足系統(tǒng)運行壽命的需要。例如，長距離通信設(shè)備可能需要RF有+13dBm、16dBm或甚至+20dBm等級別輸出功率。雖然在WMCU中集成+10dBm RF功率放大器(PA)是普遍存在的，但是如果應(yīng)用需要更大輸出功率，那么就需要片外的三極管或者放大器。問題是對于創(chuàng)建低成本且切實可行的解決方案來說，這些片外助推器是無益的，因為解決方案既要滿足高效又要低成本。因此，在要求長距離和/或者頻繁通信的應(yīng)用中，效率和電池壽命通常與獲得具有競爭力的成本目標是矛盾的?？朔@個問題的一種方法是確保WMCU中集成適當大小的PA，甚至最大可達+20dBm。通過在WMCU設(shè)備中集成PA，PA的電流消耗能夠被最小化。歸功于PA輸出和助推放大器之間的適當匹配，以及發(fā)射鏈的安全設(shè)計對溫度和電壓變動的補償，因此沒有損耗。一個完全集成的PA使得PA操作得以完全控制，確保獲得最低功耗。

　　許多應(yīng)用運行于2.4GHz頻段，這種情況下，IC供應(yīng)商有機會可以通過集成匹配電路和提供單端RF輸入輸出來簡化系統(tǒng)設(shè)計。Sub-GHz應(yīng)用傾向于覆蓋非常寬的頻率范圍，從數(shù)百MHz到1GHz。在這些情況下，集成匹配組件是不現(xiàn)實的。然而，在WMCU中集成通常片外使用的被動器件，并且由于對于分離實現(xiàn)方案有成本優(yōu)勢，因此在大多數(shù)流行的頻段應(yīng)用中是可行的。

　　最后，我們在無線可穿戴設(shè)備中還沒有討論的是天線發(fā)射和接收特性。由于尺寸和成本限制，大多數(shù)無線可穿戴設(shè)備的天線發(fā)射特性一般都較差，因為它們通常簡單的把天線打印在PCB板面材料上(像FR4)。為了補償天線損耗或低增益，最簡單方法是增加RF輸出功率來獲得期望的輸出功率。不幸的是，如前面所討論的，這個發(fā)射器將比那些天線已經(jīng)被優(yōu)化過的發(fā)射器消耗更大的能量。更好的設(shè)計和更低的匹配電路損耗將是最優(yōu)化操作的保證，但是天線設(shè)計具有極大的設(shè)計難度，特別是當考慮到可穿戴設(shè)備所處不斷變化的RF環(huán)境時。由靠近終端用戶身體(例如手覆蓋到設(shè)備上時)而產(chǎn)生的不匹配波動能夠引起許多問題。一些WMCU設(shè)備，例如Silicon Labs的Si4010“片上遙控器”發(fā)射器，有集成的天線調(diào)諧電路，能夠在這些時候動態(tài)的補償天線。這種電路起著非常重要的作用，不僅控制功耗，而且也確保無線電輻射保持在法規(guī)限定范圍之內(nèi)。

　　一種補償較差天線接收性能的方法是把系統(tǒng)設(shè)計成天線分集接收，即采用多天線。雖然許多應(yīng)用將從實施天線分集中獲益，但也有一些因素需要考慮。首先，天線分集傾向于幫助那些在發(fā)射端和接收端之間的距離上有如此情況的：接收到的信號水平接近背景噪聲水平(即接近鏈路覆蓋范圍的邊沿)，或者由多徑傳輸或物體遮擋而產(chǎn)生的衰落傳輸環(huán)境。

　　為了降低功耗和芯片成本，WMCU IC通常僅集成一條接收路徑，因此天線分集必須通過一個片外天線開關(guān)進行切換，以便在兩個天線之間交替選擇。然而，由兩個天線共享一條接收路徑的方案可能比人們預(yù)期消耗更多的功耗。因為在這種情況下，發(fā)射的前導(dǎo)符長度必須被擴展，以便為兩個天線按順序進行評估提供足夠的時間。為分析和選擇最佳天線，也增加了計算成本和電流消耗。

　　最后，還有一個間距問題。在無線通信系統(tǒng)中天線之間的距離被推薦為波長( l)的整數(shù)倍或分數(shù)倍，最小間距是? l。在2.4GHz，波長為125mm，依據(jù)最小間距l(xiāng)/4或31.25mm的分離天線設(shè)計在一些無線可穿戴設(shè)備內(nèi)是可行的。然而，對于工作在Sub-GHz頻段的WWD來說，克服這種挑戰(zhàn)將變得極其困難。在868MHz頻段，天線應(yīng)當被保持最小86mm的間距，這導(dǎo)致在許多WWD應(yīng)用中無法使用天線分集。

　　因此，工程師必須在改善傳輸距離和接收性能與增加復(fù)雜性和尺寸、計算成本和電流消耗之間進行權(quán)衡。假設(shè)天線分集不是問題，增加的計算成本和相應(yīng)的功耗能被克服。那么，在變化的和非同步的環(huán)境中，定期的在天線間進行切換也是需要的，因為無線電在信息包到達前不知道哪個天線能夠?qū)崿F(xiàn)更好的接收效果。Silicon Labs的EZRadioPRO收發(fā)器擁有集成的前導(dǎo)符質(zhì)量檢測器以基于RSSI值來決定信號質(zhì)量，并確認有效信息包到達兩個天線。集成檢測器的好處是它能夠選擇最佳的天線，卸載MCU負擔，從而也在選擇過程中減少整體功耗。

　　總結(jié)

　　如果今天Chester Gould依舊健在，那么他肯定印象深刻，他的想象力已被大大超越。眾多公司已經(jīng)推出了遠遠超過Dick Tracy具有無線電話功能的腕表設(shè)備，并且正在開發(fā)各類更先進的可穿戴設(shè)備。然而，當設(shè)計人員試圖集成更多特性和功能到無線可穿戴設(shè)備時，底層的關(guān)注點幾乎總是相同的——如何獲得更低的功耗、如何在設(shè)計中適應(yīng)小的外形尺寸、如何確保設(shè)備具有可靠的無線通信。而且最終的關(guān)切點將是如何以盡可能低的價格獲得這些產(chǎn)品設(shè)計目標，但是那是我們的另一個話題…“Six-two and even,over and out”。

　　作者：Silicon Labs IoT MCU和無線產(chǎn)品市場總監(jiān) Mendy Ouzillou