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          如何用MCU設計可穿戴電子產(chǎn)品

          作者: 時間:2014-11-03 來源:網(wǎng)絡 收藏

            “可穿戴”設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)技術的支持下,該細分市場正迅猛發(fā)展,因此對于更小型化、更直觀的設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跟蹤器等體現(xiàn)出這一發(fā)展趨勢。除了消費類市場之外,醫(yī)療行業(yè)也對身體狀況與功能的監(jiān)控設備有著更高的需求。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/264812.htm

            中最重要的電子組件就是微控制器()。由于這些不但需要尺寸小,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)有關需求細分市場、典型中的不同組件和如何滿足相關需求。

            的需求

            美觀:可穿戴設備需要時尚漂亮,而且需要能夠搭配當前的時尚配飾,如裝飾品、手表、眼鏡等。美觀非常重要,以至于英特爾等半導體巨頭都在同時尚行業(yè)攜手打造時尚設備。

            電容式觸摸感應技術是提高美感的關鍵技術。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等。賽普拉斯的CapSense和TrueTouch技術使此類需求變得切實可行。

            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備。不過與此同時,設備還應當在相同空間集成更多功能。片上系統(tǒng)(SoC)和芯片級封裝(CSP)等技術有助于縮小尺寸。例如,賽普拉斯可以提供采用WLCSP等多種封裝選項的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)器件。

            防水:可穿戴設備會被用戶帶到任何地方。因此,關鍵是這些設備的設計能夠抵抗環(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)。由于可穿戴設備大部分是監(jiān)控設備,與其它移動設備不同的是,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間,并通過藍牙等無線方式連接到手機,以便接收提醒;計步器需要一直計算步數(shù)并向手機應用報告;同樣,心率監(jiān)控器需要一直提供監(jiān)控和報告。不過由于設備需要降低整體尺寸,因此會從內(nèi)在限制電池容量。

            這些設備需要以超低功率運行,以延長電池使用壽命。此項需求對MCU與固件算法提出了特殊要求。32位ARM架構(gòu)是可穿戴設備常用的CPU技術,因為它能提供最佳性能與高能效。另外可設計采用ANT+、低功耗藍牙(BLE)等無線技術實現(xiàn)低功耗。

            無線通信:無線連接對于可穿戴設備而言非常重要,因為后者需要與一個或多個設備進行交互。根據(jù)類型和所提供的功能,此類設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,同時采用BLE與手機中的跑步應用進行通信。

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            除了需要應用處理器的高級信息娛樂設備之外,MCU可以充分滿足大多數(shù)可穿戴設備的需求。另外,最新MCU可在單個芯片中集成大部分功能。這對降低可穿戴設備的整體尺寸和BOM成本都具有重要作用。

            舉例來說,ARM cortex-M控制器可以驅(qū)動簡單的腕帶,但是智能手表需要采用應用處理器,以便運行Android等復雜的操作系統(tǒng)。

            如前所述,32位ARM處理器在可穿戴設備中非常受歡迎,因為其能夠提供最佳性能與高能效。PSoC等現(xiàn)代控制器利用ARM架構(gòu)的功能優(yōu)勢在單個芯片中集成了高級模擬和可編程數(shù)字功能,同時還采用ARM cortex-M內(nèi)核等。

            一些高級設備采用獨立的協(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為設備可能具有需要實時分析以及CPU支持的傳感器數(shù)據(jù)負載。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,可穿戴設備可能需要、也可能不需要特定的操作系統(tǒng)。例如一個用于監(jiān)測溫度、采用3軸加速計測量運動以及用單色段式LCD顯示時間的簡單腕表可以運行輕量型RTOS,而用于擴展手機功能的智能手表需要運行Android等高級操作系統(tǒng)。同時,傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

            市場細分

            正確的市場細分使設計人員能夠開發(fā)合適的產(chǎn)品,同時幫助用戶選擇最佳設備。表1根據(jù)設備功能列出了不同的細分市場。表格按細分市場的復雜性自上而下增加。

            表1:可穿戴設備的市場細分

            

           

            可穿戴電子設備中的組件

            圖2給出了可穿戴系統(tǒng)的方框圖,該系統(tǒng)包含了我們前文所述的所有功能。

            

           

            圖2:可穿戴電子系統(tǒng)

            根據(jù)所采用的主處理器的類型,可以在單個處理器芯片中集成更多的外設功能。舉例來說,大部分的PSoC器件都可以輕松集成電容式感應功能,并且無需單獨的觸摸控制器。同樣,基于賽普拉斯Cortex M0的PSoC4集成了LCD驅(qū)動器。圖3給出了智能手表的方框圖,這是第一代可穿戴設備的典型例子。

            

           

            圖3:典型的智能手表系統(tǒng)

            可穿戴設備的重要子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集或傳感器子系統(tǒng)。根據(jù)器件的類型,其可能是只有幾個MEMS傳感器的簡單系統(tǒng),也可能是采用專用傳感器集線器連接相關傳感器的復雜系統(tǒng)。MEMS傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運動的健身和健康設備中發(fā)揮著關鍵作用。這些傳感器又稱為運動傳感器。所有這些傳感器都是通過I2C或SPI通信接口提供數(shù)字式運動信息。此類傳感器的示例包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計和氣壓高度表。

            模擬傳感器廣泛用于醫(yī)療保健設備中。此類傳感器示例包括心率監(jiān)控器、EEG等生物計量傳感器。模擬傳感器需要稱為模擬前端(AFE)的特殊組件。AFE包含運算放大器、濾波器和ADC,其用于將模擬信號調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,以便于CPU處理。該功能有時可與CPU集成(比方說PSoc的設計就使得其通信功能可以直接用作傳感器集線器)。

            還有一個重要的子系統(tǒng)是用戶界面(UI)系統(tǒng)。用戶如何與可穿戴設備交互是極其重要的考慮因素。為了最大限度地降低復雜性,交互應當盡可能地直觀。電容式觸摸感應是目前最直觀的UI.根據(jù)相關應用的不同,可以采用多種方式實現(xiàn)電容式UI,如觸摸屏、按鍵與滑條等。

            LED、蜂鳴器和振動電機等UI元件可以幫助實現(xiàn)設備向用戶提供的提醒與反饋。舉例來說,如圖3所示的智能手表設計連接到手機,需要在有消息時提醒用戶。

            脈寬調(diào)制()對驅(qū)動這些元件的關鍵。可用于實現(xiàn)調(diào)光等各種LED效果,而且還能提供實現(xiàn)觸覺反饋的各種振動效果。如果在固件中實現(xiàn),這些技術需要精確的定時和頻繁的CPU處理。因此,關鍵是選擇支持硬件的處理器/控制器

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          關鍵詞: 可穿戴設備 MCU PWM

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