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 )在本文中探討可穿戴電子系統的不同需求、如何根據有關(guān)需求細分市場(chǎng)、典型可穿戴設備中的不同組件和MCU如何滿(mǎn)足相關(guān)需求。

可穿戴設備的需求

美觀(guān)：可穿戴設備需要時(shí)尚漂亮，而且需要能夠搭配當前的時(shí)尚配飾，如裝飾品、手表、眼鏡等。美觀(guān)非常重要，以至于英特爾等半導體巨頭都在同時(shí)尚行業(yè)攜手打造時(shí)尚設備。

電容式觸摸感應技術(shù)是提高美感的關(guān)鍵技術(shù)。電容式用戶(hù)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(shù)使此類(lèi)需求變得切實(shí)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(guò)與此同時(shí)，設備還應當在相同空間集成更多功能。片上系統(SoC)和芯片級封裝(CSP)等技術(shù)有助于縮小尺寸。例如，賽普拉斯可以提供采用WLCSP等多種封裝選項的可編程片上系統(PSoC)器件。

防水：可穿戴設備會(huì )被用戶(hù)帶到任何地方。因此，關(guān)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。由于可穿戴設備大部分是監控設備，與其它移動(dòng)設備不同的是，它需要始終打開(kāi)并且保持連接。例如，智能手表需要始終顯示時(shí)間，并通過(guò)藍牙等無(wú)線(xiàn)方式連接到手機，以便接收提醒；計步器需要一直計算步數并向手機應用報告；同樣，心率監控器需要一直提供監控和報告。不過(guò)由于設備需要降低整體尺寸，因此會(huì )從內在限制電池容量。

這些設備需要以超低功率運行，以延長(cháng)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(shù)，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(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現低功耗。

無(wú)線(xiàn)通信：無(wú)線(xiàn)連接對于可穿戴設備而言非常重要，因為后者需要與一個(gè)或多個(gè)設備進(jìn)行交互。根據類(lèi)型和所提供的功能，此類(lèi)設備需要支持不同的無(wú)線(xiàn)協(xié)議，如Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的專(zhuān)有協(xié)議等。一些設備需要支持多種協(xié)議。例如某種腕表采用專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議與心率監控胸帶通信，同時(shí)采用BLE與手機中的跑步應用進(jìn)行通信。

選擇適當的應用處理器或微控制器

除了需要應用處理器的高級信息娛樂(lè )設備之外，MCU可以充分滿(mǎn)足大多數可穿戴設備的需求。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(lái)說(shuō)，ARM cortex-M控制器可以驅動(dòng)簡(jiǎn)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。

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等現代控制器利用ARM架構的功能優(yōu)勢在單個(gè)芯片中集成了高級模擬和可編程數字功能，同時(shí)還采用ARM cortex-M內核等。

一些高級設備采用獨立的協(xié)處理器把傳感器數據處理工作從主處理器上轉移出來(lái)。之所以需要這么做是因為設備可能具有需要實(shí)時(shí)分析以及CPU支持的傳感器數據負載。此功能稱(chēng)為“傳感器集線(xiàn)器”或“傳感器融合”。圖1說(shuō)明了傳感器集線(xiàn)器在可穿戴系統中的作用。

圖1：傳感器集線(xiàn)器在可穿戴系統中的作用。

操作系統：根據類(lèi)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。例如一個(gè)用于監測溫度、采用3軸加速計測量運動(dòng)以及用單色段式LCD顯示時(shí)間的簡(jiǎn)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。同時(shí)，傳感器集線(xiàn)器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

市場(chǎng)細分

正確的市場(chǎng)細分使設計人員能夠開(kāi)發(fā)合適的產(chǎn)品，同時(shí)幫助用戶(hù)選擇最佳設備。表1根據設備功能列出了不同的細分市場(chǎng)。表格按細分市場(chǎng)的復雜性自上而下增加。

表1：可穿戴設備的市場(chǎng)細分

可穿戴電子設備中的組件

圖2給出了可穿戴系統的方框圖，該系統包含了我們前文所述的所有功能。

圖2：可穿戴電子系統

根據所采用的主處理器的類(lèi)型，可以在單個(gè)處理器芯片中集成更多的外設功能。舉例來(lái)說(shuō)，大部分的PSoC器件都可以輕松集成電容式感應功能，并且無(wú)需單獨的觸摸控制器。同樣，基于賽普拉斯Cortex M0的PSoC4集成了LCD驅動(dòng)器。圖3給出了智能手表的方框圖，這是第一代可穿戴設備的典型例子。

圖3：典型的智能手表系統

可穿戴設備的重要子系統是數據采集或傳感器子系統。根據器件的類(lèi)型，其可能是只有幾個(gè)MEMS傳感器的簡(jiǎn)單系統，也可能是采用專(zhuān)用傳感器集線(xiàn)器連接相關(guān)傳感器的復雜系統。MEMS傳感器在用于監控人體各方位運動(dòng)的健身和健康設備中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。這些傳感器又稱(chēng)為運動(dòng)傳感器。所有這些傳感器都是通過(guò)I2C或SPI通信接口提供數字式運動(dòng)信息。此類(lèi)傳感器的示例包括3軸加速計、陀螺儀、磁力計和氣壓高度表。

模擬傳感器廣泛用于醫療保健設備中。此類(lèi)傳感器示例包括心率監控器、EEG等生物計量傳感器。模擬傳感器需要稱(chēng)為模擬前端(AFE)的特殊組件。AFE包含運算放大器、濾波器和ADC，其用于將模擬信號調節并轉換成數字信號，以便于CPU處理。該功能有時(shí)可與CPU集成(比方說(shuō)PSoc的設計就使得其通信功能可以直接用作傳感器集線(xiàn)器)。

還有一個(gè)重要的子系統是用戶(hù)界面(UI)系統。用戶(hù)如何與可穿戴設備交互是極其重要的考慮因素。為了最大限度地降低復雜性，交互應當盡可能地直觀(guān)。電容式觸摸感應是目前最直觀(guān)的UI。根據相關(guān)應用的不同，可以采用多種方式實(shí)現電容式UI，如觸摸屏、按鍵與滑條等。

LED、蜂鳴器和振動(dòng)電機等UI元件可以幫助實(shí)現設備向用戶(hù)提供的提醒與反饋。舉例來(lái)說(shuō)，如圖3所示的智能手表設計連接到手機，需要在有消息時(shí)提醒用戶(hù)。

脈寬調制(PWM)對驅動(dòng)這些元件的關(guān)鍵。PWM可用于實(shí)現調光等各種LED效果，而且還能提供實(shí)現觸覺(jué)反饋的各種振動(dòng)效果。如果在固件中實(shí)現，這些技術(shù)需要精確的定時(shí)和頻繁的CPU處理。因此，關(guān)鍵是選擇支持硬件PWM的處理器/控制器。