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處理器/DSP  

以MCU實現可穿戴式裝置設計

上網時間: 2014年10月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MCU  可穿戴電子產品  應用處理器  可穿戴  ARM 

作者:Sivaguru Noopuran、Vairamuthu Ramasamy、Chethan Gowda;Cypress Semiconductor

‘可穿戴式裝置’是指人體可穿戴的微型電子產品,通常與現有配飾(如手錶)整合或者取而代之。在物聯網技術的支援下,該細分市場正迅速發展,因而對於更小型化、更直觀的裝置需求也正快速提升。目前,包括智慧手錶、智慧眼鏡以及運動/健身活動追蹤器等均表現出這一發展趨勢。除了消費市場,醫療產業也對監控身體狀況與功能的裝置有著更高的需求。

可穿戴式裝置中最重要的電子元件就是微控制器(MCU)。由於這些MCU不但需要尺寸小,而且還需要執行更多功能,因此,整合就成為另一項重要因素。本文將探討可穿戴電子系統的不同需求、如何根據需求細分市場、典型可穿戴式裝置中的不同元件以及MCU如何滿足相關需求。

可穿戴式裝置的需求

美觀:可穿戴式裝置需要時尚漂亮,而且必須能夠搭配當前流行的配件,如裝飾品、手錶與眼鏡等。美觀非常重要,以至於英特爾等半導體巨擘均聯手時尚產業打造流行裝置。電容式觸控感測技術是提高美感的關鍵技術。電容式UI必須支援各種外形(包括曲面)、能夠防液體,以及支援厚覆蓋層感測等。Cypress的CapSense和TrueTouch技術可使這一類需求切實可行。

尺寸:如前所述,這種元件必須做到尺寸小,才能輕鬆整合於可穿戴式裝置中。不過,裝置還必須可在相同空間整合更多功能。系統單晶片(SoC)和晶片級封裝(CSP)等技術均有助於縮小尺寸。例如,Cypress提供採用WLCSP等多種封裝選項的PSoC可程式元件。

防水:可穿戴式裝置會被使用者帶到任何地方。因此,關鍵是這些式裝置的設計能夠抵抗嚴苛的環境條件,如水滴、濕氣、汗液等。

功耗:由於可穿戴式裝置採用電池供電,因此要降低功耗存在特殊挑戰。可穿戴式裝置大部分都是監控裝置,與其它行動裝置不同的是,它需要始終開啟並保持連接。例如,智慧手錶必須始終顯示時間,並透過藍牙等無線方式連接到手機,以便接收提醒;計步器必須一直計算步數並向手機應用報告;同樣地,心率監控器也要能持續提供監控與報告。不過,由於裝置需要降低整體尺寸,因此會從內在限制電池容量。

這些裝置需要以超低功率作業,以延長電池使用壽命。這項要求對於MCU與演算法提出了特殊要求。32位元ARM架構是可穿戴式裝置常用的CPU技術,因為它能提供最佳性能與高能效。另外可設計採用ANT+、低功耗藍牙(BLE)等無線技術實現低功耗。

無線通訊:無線連接對於可穿戴式裝置而言至關重要,因為裝置需要與一個或多個裝置進行互動。根據類型以及所提供的功能,這一類裝置需要支援不同的無線協定,如Wi-Fi、ANT+、BLE、基於IEEE 802.15.4的專有協議等。有些裝置需要支援多種協定,例如某種腕錶採用專用無線協議與心率監控胸帶進行通訊,同時採用BLE與手機中的跑步應用通訊。

選擇適當的應用處理器或微控制器

除了必須利用處理器的先進資訊娛樂設備外,MCU已能充份滿足大多數可穿戴式裝置的需求。另外,最新MCU可在單個晶片中整合大部份功能。這對於降低可穿戴式裝置的整體尺寸和BOM成本都具有重要作用。

舉例來說,ARM cortex-M控制器可驅動簡單的腕帶,但是智慧手錶則需使用應用處理器,以便執行Android等複雜的作業系統。

如前所述,32位元ARM處理器在可穿戴式裝置中非常受歡迎,因為它能夠提供最佳性能與高能效。PSoC等現代控制器利用ARM架構的功能優勢在單一晶片中整合了先進的類比和可程式設計數位功能,同時還採用ARM cortex-M核心等。

有些先進裝置採用獨立的協同處理器,以便將感測器資料處理作業從主處理器上轉移出來。這是因為裝置可能具有必須即時分析以及CPU支援的感測器資料負載。這項功能稱為‘感測器中樞’或‘感測器融合’。

感測器中樞在可穿戴系統中的作用
圖1:感測器中樞在可穿戴系統中的作用

作業系統:根據類型和所提供的功能,可穿戴式裝置可能需要(也可能不需要)特定的作業系統。例如一個用於監測溫度、採用3軸加速計測量運動以及用單色段式LCD顯示時間的簡單腕錶可以執行輕量型RTOS,而用於擴展手機功能的智慧手錶則必須執行Android等先進作業系統。此外,感測器中樞還必須具備情境感知演算法的特殊韌體。

市場區隔:透過正確的市場區隔,可讓設計人員能夠開發出合適的產品,並同讓使用者選擇最佳裝置。表1根據裝置功能列出了不同的市場區隔。在表1中依照所區隔市場的複雜性由上而下增加。

表1:可穿戴式裝置的市場區隔
表1:可穿戴式裝置的市場區隔

可穿戴電子式裝置中的元件

圖2顯示可穿戴系統的架構,在該系統中包含了前文所述的所有功能。

可穿戴電子系統方塊圖
圖2:可穿戴電子系統方塊圖

根據所採用的主處理器類型,可在單個處理器晶片中整合更多週邊功能。舉例來說,大部分的PSoC元件都能輕鬆整合電容式感應功能,而且無需獨立的觸控控制器。同樣地,基於Cortex M0的Cypress PSoC4整合了LCD驅動器。圖3展示智慧手錶的建構模組,這是第一代可穿戴式裝置的典型例子。

典型智慧手錶系統方塊圖
圖3:典型智慧手錶系統方塊圖

可穿戴式裝置的重要子系統是資料擷取或感測器子系統。根據元件的類型,它可能是只有幾個MEMS感測器的簡單系統,也可能是採用專用感測器中樞連接相關感測器的複雜系統。MEMS感測器在運動與健身裝置中發揮關鍵作用,能夠監控人體各方面的動作。這些感測器又稱為動作感測器。動作感測器都是透過I2C或SPI通訊介面提供數位化的動作資訊。此類感測器的示例包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計和氣壓高度表。

類比感測器廣泛用於醫療保健裝置中。此類感測器應用包括心率監控器、EEG等生物計量感測器。類比感測器需要稱為類比前端(AFE)的特殊元件。AFE包含運算放大器、濾波器和ADC,用於為類比訊號進行調節並轉換成數位訊號,以便於CPU處理。該功能有時可與CPU整合(如PSoc的設計讓通訊功能可直接作為感測器中樞)。

還有一個重要的子系統是使用者介面(UI)系統。使用者如何與可穿戴式裝置互動是極其重要的考慮因素。為了儘可能地降低複雜性,互動應當直觀。電容式觸摸感應是目前最直觀的UI。根據相關應用的不同,可以採用多種方式實現電容式UI,如觸控式螢幕、按鍵與滑條等。

LED、蜂鳴器和震動馬達等UI元件有助於利用裝置為用戶提供提醒與回饋。如圖3所示,智慧手錶設計連接到手機,以便在訊息出現時提醒用戶。

脈寬調變(PWM)對於驅動這些元件來說十分重要。PWM可用於實現調光等各種LED效果,而且還能提供實現觸覺回饋的各種振動效果。如果在韌體中實現,這些技術需要精確的計時以及頻繁的CPU處理。因此,選擇一款支援硬體PWM的處理器/控制器至關重要。

(參考原文:The basics of designing wearable electronics with microcontrollers,by Sivaguru Noopuran, Vairamuthu Ramasamy, Chethan Gowda)





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