MCU在可穿戴電子產(chǎn)品中的作用

1、mcu在可穿戴電子產(chǎn)品中的作用 可穿戴技術(shù)現(xiàn)在是消費(fèi)類(lèi)行業(yè)的熱門(mén)用語(yǔ)。每家消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品公司都聲稱(chēng)要推出可穿戴設(shè)備。它們是我們能夠穿戴的微型電子設(shè)備，通常與現(xiàn)有配飾(如：手表)集成或者取而代之。隨著可穿戴設(shè)備行業(yè)的當(dāng)前變革，對(duì)于更小、更直觀的設(shè)備的需求正在迅猛增強(qiáng)。這個(gè)新興行業(yè)的當(dāng)前設(shè)備趨勢(shì)包括智能手表、智能眼鏡以及體育與健身活動(dòng)跟蹤器。除了消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，它同時(shí)也在醫(yī)療行業(yè)催生令人關(guān)注的需求。明顯，這些設(shè)備所包含的電子產(chǎn)品需要“瘦身”。最重要的電子組件應(yīng)當(dāng)是微控制器。因?yàn)檫@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(huì)在本文中探討以下主題：? 可穿戴電子系統(tǒng)的不

2、同需求;? 如何按照這些需求細(xì)分市場(chǎng);? 典型可穿戴設(shè)備中的不同組件;? 最后我們將探討mcu如何有助于滿足相關(guān)需求。本文結(jié)束部分以的旗艦器件可編程片上系統(tǒng)(p)舉例解釋一種智能手表。可穿戴設(shè)備的需求我們首先看一下可穿戴設(shè)備的典型需求。美觀：可穿戴設(shè)備的最重要需求是美觀。終于產(chǎn)品需要時(shí)尚美麗，而且需要能夠搭配當(dāng)前的時(shí)尚配飾，如：裝點(diǎn)品、手表、眼鏡等。僅憑英特爾等巨頭與時(shí)裝行業(yè)攜手打造時(shí)尚設(shè)備這一點(diǎn)就能夠解釋此項(xiàng)需求至關(guān)重要。式觸摸感應(yīng)技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)此，電容式用戶界面的關(guān)鍵需求是支持各種形狀(包括曲面)，能夠防液體(避開(kāi)誤判的觸摸)，以及支持厚的籠罩層感應(yīng)等。賽普拉斯的capsen

3、se 與truetouch技術(shù)能夠使此類(lèi)需求變得切實(shí)可行。尺寸：如前所述，這些器件的顯然需求是尺寸小，以便輕松集成到可穿戴設(shè)備。但同時(shí)不行以削減或降低其呈現(xiàn)的功能。因此，此類(lèi)器件中采納的組件在保持小尺寸的同時(shí)還應(yīng)該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納wlcsp等多種封裝選項(xiàng)的可編程片上系統(tǒng)()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)能夠反抗環(huán)境條件，如：水滴、濕氣、汗液等。功耗：毋庸置疑，可穿戴設(shè)備是由電池供電，因此，以下因素在其功耗降低方面帶來(lái)了特別挑戰(zhàn)：? 因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備大部分是監(jiān)控設(shè)

4、備，與其它移動(dòng)設(shè)備不同的是，它需要始終打開(kāi)并且保持銜接。例如，智能手表需要始終顯示時(shí)光并通過(guò)等無(wú)線方式銜接到手機(jī)，以便接收提示;計(jì)步器需要向來(lái)計(jì)算步數(shù)并向手機(jī)應(yīng)用報(bào)告;同樣，心率監(jiān)控器需要向來(lái)提供監(jiān)控和報(bào)告。? 因?yàn)樾枰档驼w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，以延伸電池用法壽命。此項(xiàng)需求對(duì)mcu與固件算法提出了特別要求。32位架構(gòu)是可穿戴設(shè)備常用的cpu技術(shù)，由于它能提供最佳性能與高能效。另外可設(shè)計(jì)采納ant+、低功耗藍(lán)牙(ble)等無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗。無(wú)線通信：因?yàn)榫哂懈叩撵`便性與自由度，無(wú)線銜接已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的一大自然特性。無(wú)線銜接對(duì)于可穿戴設(shè)備而言越發(fā)重

5、要，由于后者需要與一個(gè)或多個(gè)設(shè)備舉行交互。按照類(lèi)型和所提供的功能，此類(lèi)設(shè)備需要支持不同的無(wú)線協(xié)議，如：wi-fi、ant+、ble、基于ieee 802.15.4的專(zhuān)有協(xié)議等。一些設(shè)備需要支持多種協(xié)議。例如，某種腕表采納專(zhuān)有無(wú)線協(xié)議與心率監(jiān)控胸帶通信，同時(shí)采納ble與手機(jī)中的跑步應(yīng)用舉行通信。應(yīng)用處理器/控制器：主處理器的挑選僅僅取決于設(shè)備的類(lèi)型與功能。例如，arm cortex-m控制器可以驅(qū)動(dòng)容易的腕帶，但是智能手表需要采納應(yīng)用處理器，以便運(yùn)行等復(fù)雜的操作系統(tǒng)。如前所述，32位arm處理器常用于驅(qū)動(dòng)可穿戴設(shè)備，由于其能夠提供最佳性能與高能效。賽普拉斯的psoc等現(xiàn)代控制器徹低利用arm架構(gòu)

6、的功能優(yōu)勢(shì)在單個(gè)芯片中集成了高級(jí)模擬功能、可編程數(shù)字功能以及arm cortex-m內(nèi)核等。一些高級(jí)設(shè)備采納自立的協(xié)處理器把數(shù)據(jù)處理工作從主處理器上轉(zhuǎn)移出來(lái)。之所以需要這么做是由于設(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(chēng)為傳感器集線器或傳感器融合。下圖解釋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)：按照類(lèi)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、采納3軸加速計(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)以及用單色段式顯示時(shí)光的容易腕表可以運(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

7、統(tǒng)。同時(shí)，傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特別固件。市場(chǎng)細(xì)分至此我們已經(jīng)了解了典型可穿戴設(shè)備的需求，相應(yīng)地舉行市場(chǎng)細(xì)分也非常重要。正確的市場(chǎng)細(xì)分使設(shè)計(jì)人員能夠開(kāi)發(fā)合適的產(chǎn)品，同時(shí)協(xié)助用戶挑選最佳設(shè)備。下表按照設(shè)備功能舉行市場(chǎng)細(xì)分。表格中細(xì)分市場(chǎng)的復(fù)雜性自上而下增強(qiáng)。表1 可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)細(xì)分可穿戴電子設(shè)備中的組件現(xiàn)在我們來(lái)看一下典型可穿戴系統(tǒng)的組件。下圖給出了一個(gè)可穿戴系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)包含了我們前文所述的全部功能。請(qǐng)注重，按照所采納的主處理器的類(lèi)型，可以在單個(gè)處理器芯片中集成更多的外設(shè)功能。例如，賽普拉斯大部分的psoc器件都可以輕松集成電容式感應(yīng)功能，并且無(wú)需單獨(dú)的觸摸控制器。同樣地

8、，賽普拉斯psoc4(旗艦cortex m0器件)可以集成段式lcd驅(qū)動(dòng)器?？纱┐髟O(shè)備的重要子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集或傳感器子系統(tǒng)。按照器件的類(lèi)型，其可能是惟獨(dú)幾個(gè)傳感器的容易系統(tǒng)，也可能是采納專(zhuān)用傳感器集線器銜接相關(guān)傳感器的復(fù)雜系統(tǒng)。mems傳感器在用于監(jiān)控人體各方位運(yùn)動(dòng)的健身和健康設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些傳感器又稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)傳感器。全部這些傳感器都是通過(guò)i2c或spi通信接口提供數(shù)字式運(yùn)動(dòng)信息。此類(lèi)傳感器的示例包括3軸加速計(jì)、磁力計(jì)和藹壓高度表。圖2 可穿戴電子系統(tǒng)另一種傳感器類(lèi)別是廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健設(shè)備的模擬傳感器。此類(lèi)傳感器示例包括心率監(jiān)控器、eeg等生物計(jì)量傳感器。模擬傳感器需要稱(chēng)為(afe)

9、的特別組件。afe包含運(yùn)算、和，其用于將模擬信號(hào)調(diào)整并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便于cpu處理。此功能有時(shí)可與cpu集成，例如賽普拉斯的psoc，其通信功能可以挺直用作傳感器集線器。還有一個(gè)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(shè)備交互是極其重要的考慮因素。為了最大限度地降低復(fù)雜性，交互應(yīng)該盡可能地直觀。流行的ui技術(shù)是電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)，其閱歷證為目前最直觀的ui。按照相關(guān)應(yīng)用的不同，可以采納多種方式實(shí)現(xiàn)電容式ui，如：、按鍵與滑條等。另外，、蜂鳴器和振動(dòng)電機(jī)等ui元件可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)設(shè)備向用戶提供的提示與反饋。例如，與手機(jī)銜接的智能手表需要在有消息時(shí)提示用戶。脈寬調(diào)制()是驅(qū)動(dòng)這些元件的

10、關(guān)鍵。pwm可用于實(shí)現(xiàn)調(diào)光等各種led效果，而且還能提供實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋的各種振動(dòng)效果。假如在固件中實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)需要精確的定時(shí)和常見(jiàn)的cpu處理。因此，關(guān)鍵是挑選支持硬件pwm的處理器/控制器。例如，賽普拉斯的psoc4可以支持被稱(chēng)為tcpwm的硬件pwm塊。mcu能夠解決上述挑戰(zhàn)!除了需要應(yīng)用處理器的高級(jí)信息消遣設(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。例如，賽普拉斯的psoc能夠集成以下功能(請(qǐng)注重：功能的可用性取決于相關(guān)部件)。如欲了解有關(guān)相關(guān)部件的更多細(xì)節(jié)，敬請(qǐng)拜訪：? 低功率32位arm架構(gòu)(支持arm cortex m0與m3);? 256kb閃存，64kb ram;? 電容式觸摸感應(yīng);? 段式lcd驅(qū)動(dòng)器;? 硬件pwm;? spi/i2c/uart通信