如何用MCU設計可穿戴電子產(chǎn)品

　　“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。

　　可穿戴設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、典型可穿戴設備中的不同組件和MCU如何滿足相關需求。

　　可穿戴設備的需求

　　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。