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Always-ON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LCD显示屏驱动器等特殊功能。

连接:

工程师面临的一大设计挑战是在常规蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙低功耗(蓝牙智能)、近场通信(NFC)以及众多专有协议中选择一个合适的通信协议。此处的一个关键考虑因素是找到一个具备高吞吐量、低功耗、最小的电路板要求、无缝互操作性、安全通信而且易于开发的协议。由于协议定义了可穿戴设备能够传送什么内容,因此,合适的连接链路对于您如何设计可穿戴设备至关重要。让我们来探讨一下与之相关的各种选项和权衡(参见表1)。

编写您自己的专有协议可能极富诱惑力。其好处是设计可以根据产品的具体要求实现最佳功耗。但是,当今的设备需要通过一个标准协议与生态系统中的其它设备通信,因此,互操作性是关键。这是设计人员选择标准协议的最大动力之一。此外,采用一个标准通信协议还能帮助研发人员为可穿戴设备编写出高能效、高响应速度、易用的更好的应用。

Wi-Fi是一个常用的无线协议,因为它提供极高的数据吞吐量、中远程传输距离和非常成熟的安全功能。但是,Wi-Fi的功耗高于其它协议,因此,通常不是可穿戴设备的最佳选择。此外,虽然 WiFi较高的数据速率对于上网等应用可能是一个巨大优势,但通常只需传输少量数据的可穿戴设备也许并不需要这样的吞吐量。

另一个常见选择是ZigBee,它提供低功耗和一个轻型协议栈,而且市场的关注度较高。但是,ZigBee还没有在PC或智能手机中得到普及。最佳的替代选择是用于短程交换数据的常规蓝牙。常规蓝牙是个人网络用传统协议,常用于将音频内容传送至手机耳机。常规蓝牙的能效高于Wi-Fi。但是,为了实现极低的功耗,蓝牙低功耗(蓝牙智能/BLE)通常是更好的选择,因为它是专为需要传送状态和控制信息的短程、低功耗无线应用而设计的。

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表1:连接链路对比

BLE之所以最适合可穿戴设备有几个原因。对于那些需要间歇或定期传送少量数据的应用,即符合可穿戴设备数据传输要求的应用而言,BLE技术是它们理想选择。此外,BLE的主要特性是低功耗,能够使用一颗纽扣电池驱动一个小型设备,因此是可穿戴设备的不二选择。鉴于这些原因,BLE通常是可穿戴设备的最佳选择。

现场升级能力(OTA):

用户希望能够在所有类型的环境中以多种方式使用可穿戴设备。为了满足用户需求,部署在现场的可穿戴设备应能适应新的应用。Over-the-air(OTA)固件升级可让研发人员对可穿戴设备进行现场编程,从而重新设置控制参数,升级固件以添加新功能,并修复问题。OTA固件升级是一个引导装载程序机制,使用一条无线链路(如BLE)更新目标设备的固件。这类似于通过一条UART、I2C或SPI等常规有线链路进行升级。图1显示了一个使用一条无线链路的引导装载程序的框图。详情请参阅PSoC® 4 BLE和PRoC™ BLE - Over-The-Air(OTA)设备固件升级(DFU)指南。

连接是关键。对象或是直接相连,或是通过使用不同技术的其它设备相连。连接意味着OTA升级。假设用户家中的一系列嵌入式设备需要升级固件。如果它们不采用OTA策略,用户就必须使用一条电缆来连接每一个设备,以便更改它们的基本配置。

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图1:Over-the-Air(OTA) 引导装载程序系统

能量采集:

使用有线电源为可穿戴设备供电通常不实用,而应使用电池作为电源。但是,电池也带来了一些局限性和令人担忧的问题,其中包括:需要定期充电、续航时间有限和环境处理问题。能量采集技术能让可穿戴设备为自身供电。能量采集指的是从太阳能(光)、热能(热)和/或动能(振动)等能源提取能量的过程。从这些能源提取的能量被储存起来,用于为可穿戴设备自身供电。由于能量采集技术提供了一个持续、可靠的能源,设备电池的尺寸可以缩小,而其使用寿命却能延长。

由于能量采集设备(EHD)为低功耗电子器件提供很少的电能,捕获和利用所生成的每一焦耳就显得至关重要。EHD有很多类型,而最佳类型取决于能源来自何处、例如,太阳能模块在EHD最常见,用于从太阳光提取能量,这是因为它们随时可用、易用而且成本低廉。通常而言,一个太阳能模块所生成的电能与模块的尺寸成正比,并随光线亮度变化。

另一种EHD是热电发电器(TEG),它们可以利用热源生成大电流电能。TEG的局限是:它们必须拥有一个恒定的温度梯度才能提供有用的电能输出。

对于振动等动能能量采集技术而言,有两种常见EHD:压电式EHD和生成交流电的电磁式。与TEG类似,它们的局限是需要为其提供一个具备恒定、可预测频率的振动源。

能量采集电源管理 IC(PMIC)是能量采集系统(EHS)的一部分,该系统包括EHD和一个储能设备。能量采集PMIC 从EHD提取很少的能量,然后将其转化为一个稳定、可被储存在储能设备(ESD)中的能量输出。然后,ESD通常包含一个电池、常规电容器或超级电容器,被连接到系统的其余部分,提供运行负载(如一个可穿戴设备)所需的电能。图2显示了一个能量采集系统的框图。

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图2:能量采集系统

特殊功能(手腕检测、触摸按钮/滑块/屏幕和段式LCD显示屏驱动器):

考虑到可穿戴设备时长的快速发展和创新,制造商必需推出能够让他们的产品鹤立鸡群的特殊功能。这要求他们定义和开发这些功能,找出能够支持这些功能的其它设备,并让它们能够在各种环境条件下可靠运行。

一个能够实现可穿戴设备用户界面的可靠系统是不可或缺的。这也是推出创新型特殊功能的领域。由于可穿戴设备的尺寸较小,真的实现这些功能要比其它应用更加复杂。在这些领域,电容触摸在实现有效的用户界面方面发挥了重要作用。让我们了解一些特殊功能以及实施它们所面临的挑战。

手腕检测是一个重要功能,用于检测可穿戴设备是否被戴在用户的手腕上(见图3)。该功能可用于提升安全性和降低功耗。其工作模式是:只要用户没有戴上它,手腕检测功能就将触发可穿戴设备的锁定机制,以防他人偷窥其中存储的重要数据。与此类似,当用户没有戴上设备时,它将触发低功耗引擎,将其置于睡眠/深度睡眠模式。这可以延长电池使用寿命,直到用户重新开机为止。我们可以使用一个电容触摸传感器轻松实现手腕检测功能。这个位于可穿戴设备之下的传感器将人体用作导体。

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图3:CapSense手腕检测功能

电容触摸滑块是另一种重要的用户输入机制,可帮助用户与可穿戴设备进行交换。虽然可以在可穿戴设备上实现一个微型触摸屏,但考虑到可穿戴设备的尺寸,这个屏幕可能很小,从而使用户难以观看和更改参数或导航菜单。如图4所示,电容触摸滑块是一组置于可穿戴设备表面之下的电极。用户只需轻轻一扫就可以在不同的菜单/屏幕之间滑动。相同的滑块电极或一个单独的电容传感器可被用作点电容触摸按钮,用于选择菜单项和输入数据。这也可以使用机械按钮实现,但产品会失去时尚感。此外,机械按钮易磨损,从而缩短产品的有效工作寿命。

正如本文第一部分中“轻薄的用户界面(手势)”中所描述的那样,可以使用电容触摸滑块和按钮实现各种手势。

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图4:电容触摸滑块

触摸显示屏是智能手表、健康监测器等通常配备中型屏幕的可穿戴设备必备的另一个用户界面功能。我们可以使用电容触摸技术和LCD显示屏上透明的铟锡氧化物层(ITO)实现触摸显示屏。以这种方式使用电容触摸技术不仅能够支持更加自然的用户界面,而且还能让您的可穿戴设备产品在雨中等潮湿环境下工作(见图5)。

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图5:防水电容触摸界面

活动监测器、健身追踪器等大多数低功耗、微屏可穿戴设备使用段式LCD显示屏显示信息(见图图 6)。作为段式LCD显示屏的替代物,我们可以是使用触摸显示屏。但是,受空间、功耗和成本限制,触摸屏通常不是微型可穿戴设备的可行解决方案。段式LCD显示屏需要一个外置或内置于MCU的驱动器。市场上有多款MCU内置了用于连接段式LCD显示屏的LCD矩阵驱动器,从而简化了设计,降低了系统成本。

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图6:可穿戴设备上的段式LCD显示屏

挑选正确的MCU要求研发人员了解其可穿戴设备产品的功能。选择一款集成了电容触摸感应、LCD段式显示屏驱动器、蓝牙低功耗、AFE、灵活功耗模式等功能的MCU,您就能利用单一芯片经济高效地打造一款完整的可穿戴设备产品。

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