前言:

市场对现代可穿戴设备的要求永无止境,其中包括:时尚、智能、高能效、可扩展、炫酷、时髦、经济高效等等。这给此类可穿戴设备的制造商带来了很多设计上的挑战,其中最常见的挑战包括:设备永远在线且电池寿命长;将多个IC集成到狭小的空间中;保持低成本,同时不断添加新特性;不仅要监测多个传感器,而且应利用DSP类引擎实现传感器融合,以生成更加可靠的数据;添加Over-The-Air(OTA)固件升级等差异化特性,以满足日益变化的需求;能够安全地存储和传输个人数据;能够向各类设备传送用户能够理解的处理后的信息;添加触摸或显示IC等高级用户界面等等。可穿戴设备制造商面临的来自这些日益变化的苛刻需求的压力迫使设计人员寻找智能集成IC,以尽可能提高单个芯片的集成程度。本文介绍赛普拉斯PSoC 4 BLE系列等功能丰富的MCU如何实现旨在打造交互式可穿戴设备的单芯片可穿戴电子产品。

市场对现代可穿戴设备的要求包括:轻薄设计、嵌入式智能、节能、可扩展、经济高效等等。这给此类设备的制造商带来了很多设计上的挑战:

•设备永远在线且电池寿命长

•将多个IC集成到狭小的空间中

•保持低成本,同时不断添加新特性

•不仅要监测多个传感器,而且能够利用DSP类处理功能实现传感器融合

•添加OTA(空中固件升级)等差异化特性

•能够安全地存储和传输个人数据

•能够向其它设备传送信息

•采用触摸屏等高级用户界面

永无止境的改进和特性扩展所带来的压力迫使设计人员寻求将更多功能集成到单一芯片中,以简化设计。本文介绍工程师们如何利用功能丰富的MCU来应对打造交互式可穿戴设备时所面临的各项设计挑战。

新一代智能可穿戴设备所带来的设计挑战:

市场需要更多特性,而产品的研发周期也被大幅缩短。研发人员还必须能够适应常态化的设计要求变更。因此,他们必需拥有这样一个通用平台,它能够提供低功耗、小巧、高速运算、集成模拟和数字前端、安全性和隐私性等特性。下文将介绍不同的设计挑战以及应对它们的方法。图1显示了现代可穿戴设备的设计挑战。

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图1:快速浏览-可穿戴设计挑战

“永远在线”应用与功耗影响:

连续监测各类传感器是对可穿戴设备提出的一个重要要求,而这又要求处理器处于“永远在线”状态,以便能够监测传感器和处理此类信息。例如,计步器采用运动和压力传感器,它需要连续计步,并通过一个无线信道将它们上报给一个可穿戴显示器或手机app。大多数可穿戴设备依赖电池或能量采集器供电,因此,在满足“永远在线”要求时,降低这些设备的功耗给设计人员提出了特殊挑战。这意味着,哪怕是将很小的功耗引入到产品中,工程师们也必须格外谨慎。为了缓解这个设计约束,他们需要使用功耗和空间优化型MCU来打造可穿戴或物联网应用。

提高能效的一种有效方式是利用MCU提供的灵活的功耗模式以及其在相应模式下调度各个系统事件的能力。这可以让您根据具体应用的主要用例实现最佳功耗。您可以利用分解成具体任务和电路模块的功耗预算解决这个问题。通过为每一个任务或电路分配功耗预算,您在定义所需组件功耗时将获得更高的灵活性。例如,诸如赛普拉斯PSoC 4 BLE这类的MCU提供多个系统功耗模式,其中包括:工作、睡眠、深度睡眠、休眠和停机模式。凭借在停机模式下低至60nA的电流消耗,您将能优化应用的功耗。

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图2:不同功耗模式下的功耗分布(以PSoC4 BLE为例)

模拟前端与传感器集成:

某种意义上而言,现代可穿戴设备就是一堆传感器外加一个CPU和无线链路。通过感测压力、运动、位置、触摸、心率、脉搏率、含氧量、温度、湿度、日光、电池电压、音频、视频、紫外线强度等物理信号,可穿戴设备通常提供智能手表、健康检测器、健身追踪器等功能。但最终而言,每一个传感器-无论是模拟还是数字传感器-都需要一个对接MCU的前端电路。

模拟前端(AFE)是一个信号调节电路,它使用灵敏的模拟电路处理传感器输出,因为传感器的输出不能被MCU直接使用。AFE是传感器和处理器之间的接口。一个传感器接口电路需要一个偏置电路、一个放大器、多个对比器、一个数模转换器(DAC)、多个模拟多路转换器、多个参考电压、一个用于抑制噪音的滤波网络、偏移消除等错误抑制技术以及一个用于数字化和处理传感器数据的模数转换器(ADC)。配备一个现有商用传统微处理器的系统将需要在芯片以外构建上述电路,虽然某些系统将一个功能固定的ADC集成到了MCU中。对于那些通过一个数字流提供输出的数字传感器而言,需要使用一个I2C、UART或SPI通信端口将其输出传送到MCU。

让我们以一个活动监测器为例,了解一下可穿戴设备系统中的模拟前端(AFE)和数字前端。图3显示了一个使用单一SoC的完整活动监测器系统的框图。在模拟侧,iDAC用于激励热敏电阻感测温度。电阻两端代表温度的压降通过一个模拟多路转换器连接片上SAR ADC。ADC将模拟电压转换为数字,后者可以被CPU处理。片上参考电压模块Vref用于生成一个固定的模拟参考电压,用于精准测量数据。此外,一个电容感应混合信号组件用于检测用户接近。电容感应技术还能让 设计人员利用基于触摸和近距感应技术的时尚的用户界面替代机械按钮。环境光线传感器使用运算放大器、参考电压和一个外置光电二极管实现。光电二极管的反偏电流随入射光强度变化而变化。差分互阻抗放大器(TIA)将光电二极管电流转换为电压。

在数字侧,一个数字加速传感器用于实现一个计步器。计步器用于记录用户所走的步数,并计算期间所消耗的卡路里。计步器使用加速计检测加速度的变化模式,以此检测步数。通过使用一个加速传感器和一个高度传感器,系统可以计算出用户所消耗的卡路里总量。

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图3:活动监测器(PSoC4 BLE)

电路板或系统基板:

本质而言,可穿戴设备是小巧、时尚的电子设备,需要密集集成电子器件,以便占用最小的空间,并仍能提供全部功能。这可能是设计人员面临的最大瓶颈。

这些因素迫使设计人员最大程度地集成所有功能。PSoC 4 BLE2等功能丰富的MCU的问世让提升系统的集成度成为可能。例如,SOC可以集成被用作传感器接口的模拟前端、ARM CPU等用于传感器融合的计算引擎、片上内存、蓝牙低功耗等无线连接以及用于实现新型界面的电容触摸功能,从而让产品设计人员能够为新一代连接物联网的医疗健康、生物识别、家庭自动化和工业自动化便携可穿戴应用打造紧凑、小巧的设计。将这些功能集成到单一芯片中不仅能够减少所需的电路板空间,而且还能降低系统成本和功耗。图4显示了单个MCU/SoC中的功能集成。

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图4: MCU/SoC中的功能集成

集成各项功能后,下一步是选择一款能够在狭小的空间内提供所有这些功能的MCU/SOC,以满足设计人员对小巧设计的当前和未来需求。晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)能够高效地将大量功能集成到芯片尺寸的空间中,从而释放新一代可穿戴设备的潜能(图5)。

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图5: 微型WLCSP 封装

轻薄的用户界面(手势):

考虑到可穿戴设备的小尺寸特点,让用户能够方便地与其它设备通信就显得非常重要。在将可穿戴设备连接到一个扩展设备(如一部智能手机),以便使用一个全功能用户界面时,通常需要在设备内支持一些用户界面(UI)选项。可穿戴设备的显示屏可谓小中最小,这使得实现一个功能丰富的用户界面极具挑战性。

其中一个方法是让用户能够设置可穿戴设备的参数。这种方法必需直观和易用。这可以通过在设备微小的显示屏上使用简单的用户手势实现。智能手势包括:向左右任意方向滑动、单击、双击、长按等等。这些手势可实现与可穿戴设备的简单、低功耗交互。

电容感应等技术使得在可穿戴设备中实现这些智能手势成为可能。电容触摸既可以由一个独立的触摸芯片引入,也可以是MCU/SOC的一个内置功能。手势功能不仅可以简化UI,而且还能降低功耗,因为设备可以由指定的用户手势唤醒。这些高级手势可提升可穿戴设备的使用体验,从而吸引买家。

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图6:微型屏幕上实现的手势

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图7:唤醒手势

隐私与安全通信:

伴随可穿戴设备市场的快速增长,蓝牙低功耗(BLE)已成为智能手表、Beacon、联网汽车等各类设备的事实无线标准。为了避免无线链路上的数据通信的安全漏洞,设计人员必需谨慎处理BLE协议。最新版BLE协议提供多种安全和隐私功能,以涵盖加密、信任、用户数据的完整性和隐私等内容。例如,BLE链路层提供CRC、AES等各种加密算法,用以实现数据在BLE上的可靠、安全交换。此外,还有一些BLE模块可提供额外的安全和隐私功能,从而使得BLE技术成为相关应用的更加强大的无线解决方案。
BLE提供一个名为Security Manager(SM)的专用层,用于定义用户数据的配对、加密和密钥分发。这个BLE隐私功能可为连接提供更高的安全性,配对是指实现这些安全功能的过程。在这个过程中,两个设备得到验证,链路得到加密,然后密钥得到交换。这能让您通过BLE接口安全地交换数据,不会被无声的监听者在RF信道上窥探。绑定是指配对过程中保存安全密钥和身份信息的过程。设备被绑定后(密钥和身份信息被保存后),它们不再需要通过配对过程重新连接。图8显示了BLE协议中的SM层。

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图8: BLE中的Security Manager (SM)层

我们在第一部分探讨了可穿戴设备设计的多项挑战,其中包括“永远在线”应用与功耗影响、模拟前端与传感器集成、电路板或系统基板、基于手势的时尚用户界面以及隐私与安全通信。我们将在第二部分介绍现场升级能力(OTA)、能量采集、连接(BLE、ZigBee、Wi-Fi)等更多的设计挑战,以及手腕检测、电容触摸滑块及按钮、电容触摸屏、防水设计、段式驱动器等特性。

(Jaya Kathuria,Anbarasu Samiappan,赛普拉斯公司)