消費類(lèi)電子產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)有無(wú)數種各類(lèi)用途的設備，從專(zhuān)業(yè)設備到個(gè)人消費品。雖然存在性能和功能的差異，但是消費類(lèi)電子產(chǎn)品往往遵循相同 的設計趨勢：設備功能變得越來(lái)越強大、體積小巧和省電�？纱┐髟O備集中體現了這一趨勢，它是一種便攜、電池供電、高集成度的設備，負責從高精度模擬測量到 直觀(guān)用戶(hù)界面的所有一切�？纱┐魇皆O備開(kāi)發(fā)人員必須仔細的在多種集成電路（IC）中匹配產(chǎn)品的需求，有時(shí)還需要同時(shí)應對相互矛盾的優(yōu)先選項。
例 如，讓我們仔細思考，在靈巧的可穿戴式設計中如何兼顧尺寸、電池壽命和功能，同時(shí)又不忽視可穿戴設備的特殊性：包括它們的個(gè)性化功能和吸引力。我們以“功 能單一”類(lèi)型的可穿戴設備為例——一個(gè)沒(méi)有屏幕、紐扣電池供電的計步器，可以在當用戶(hù)需要運動(dòng)時(shí)提醒用戶(hù)，同時(shí)也能夠保持跟蹤一整天的步數。一個(gè)簡(jiǎn)單的電 容感應觸控接口實(shí)現用戶(hù)輸入，一個(gè)三色LED提供剛好夠用的富有表現力的輸出，這使產(chǎn)品可以提供方便且具吸引力的個(gè)性功能。這個(gè)產(chǎn)品設計展示了功能強大的 IC如何塞入小型封裝中，有助于促進(jìn)創(chuàng )新和產(chǎn)品差異化。
我們的產(chǎn)品需求
讓我們先來(lái)勾畫(huà)出產(chǎn)品的基本需求。在定義了功能集之后，我們能夠選擇負責各項功能的組件。這是一款精簡(jiǎn)到只�；竟δ艿挠嫴狡�。沒(méi)有提供屏幕、蜂鳴器或者iPhone應用程序，該設備有意突出它的簡(jiǎn)樸和小尺寸。它的用戶(hù)接口同樣簡(jiǎn)潔明了。
基本設計需求包括：
• 最小化可實(shí)現的外形尺寸：帶有外殼的產(chǎn)品應當在各項尺寸上盡可能接近CR2032電池的大小，因此用戶(hù)能夠在口袋中攜帶該設備，或者掛到他們的鑰匙鏈上。
• 用戶(hù)輸入：在紐扣電池形狀殼體的一側，提供能夠識別如下輸入的電容觸摸接口：
o 滑動(dòng)：解除提示用戶(hù)需要起立的報警
o 輕敲并保持：開(kāi)啟新的一天（復位計步器）
o 輕敲：檢查一天中的步數
• 簡(jiǎn)單的輸出：在殼體某處裸露的LED提供所有輸出：
o 紅色：定時(shí)的短閃爍表示用戶(hù)已經(jīng)保持不動(dòng)太長(cháng)時(shí)間了
o 綠色雙閃：當用戶(hù)開(kāi)始新一天時(shí)通過(guò)輕敲并保持動(dòng)作觸發(fā)
o 1秒鐘紅/黃/綠輸出：指示一天內達到33%、66%和100%步數的百分比，在輕敲觸摸接口后持續幾秒鐘
如何實(shí)現小型化？
CR2032 電池的直徑是20mm，高度是3mm。很顯然，我們的系統必須比它稍微大些，但是我們如何在現實(shí)中實(shí)現可穿戴設備的小型化呢？讓我們假設產(chǎn)品的塑料外殼能 夠做的非常薄，因此在直徑上它增加的長(cháng)度不會(huì )超過(guò)5mm，同時(shí)易于支持電池更換。對于高度，我們如何最小化該設計的高度并保持大致紐扣電池那樣的尺寸呢？ 在產(chǎn)品的垂直堆疊中，它的高度由四種器件尺寸構成：電池、印制電路板（PCB）、PCB上的器件和產(chǎn)品的塑料外殼。對于四層PCB來(lái)說(shuō)，PCB厚度大約為 0.5mm。而如何最小化焊接到該PCB上的器件高度需要仔細進(jìn)行型號選擇。這時(shí)尋找高性能的芯片級尺寸封裝的器件對于我們的設計來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
芯片級尺寸封裝的好處
晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）代表了制造和芯片組裝技術(shù)中多年持續進(jìn)步的成果。在WLCSP封裝中，硅被直接連接到封裝一側的焊球上，與之相反，舊有技術(shù)通過(guò)綁定線(xiàn)連接硅端口焊盤(pán)到封裝引腳。這種設計的影響是封裝能夠設計成寬度和高度都接近內部硅片自身尺寸的大小。
IC 供應商們爭相發(fā)布WLCSP的封裝支持現有的多種設備，從而獲得極小封裝類(lèi)型的好處。此時(shí)會(huì )出現的挑戰是：一些廠(chǎng)商的硅片相當大，以至于它在獲得更小尺寸 的封裝上沒(méi)有競爭力。來(lái)自Silicon Labs的EFM8SB1 MCU非常適合CSP封裝類(lèi)型，這是因為雖然該MCU有極高的功能密度，但是它已經(jīng)適應小封裝尺寸（例如3mm×3mm QFN封裝）。EFM8SB1 WLCSP封裝尺寸僅為1.78mm×1.66mm。
EFM8SB1 MCU成為這個(gè)設計和其他可穿戴設計的理想選擇，它的關(guān)鍵特性包括：
• 8位MCU提供超低功耗、高靈敏度電容感應輸入。
• 片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘能夠周期的從超低功耗（~300nA）狀態(tài)喚醒系統。在這個(gè)設計中，這個(gè)時(shí)鐘的一個(gè)用途就是測量從最近一次走動(dòng)以來(lái)的時(shí)間，并發(fā)送活動(dòng)通知去鼓勵用戶(hù)站起來(lái)并走動(dòng)。
• 2-8kB閃存和512字節的RAM維持在整個(gè)低功耗周期內，結合25MHz的8051內核使這個(gè)小設備具有執行邏輯和進(jìn)行多種系統響應的能力。
接 下來(lái)是計步器的選擇。為了充分利用CSP封裝的MCU所帶來(lái)的超薄特性，所有板上的集成電路理論上也要選擇CSP封裝的器件。出于這個(gè)原因，我們的板上加 速計理論上也應當支持CSP封裝。最新發(fā)布的Bosch BMA355提供高集成度的傳感器，在片上實(shí)現多種三軸事件監測，可以通過(guò)SPI接口與EFM8 MCU進(jìn)行通信交互的事件。
因為兩個(gè)IC器件以及必要的幾個(gè)分立被動(dòng)器件都能夠采用超薄封裝，因此產(chǎn)品的塑料外殼可制成超薄的并且靠近電容感應面，從而優(yōu)化觸摸靈敏度。其產(chǎn)品外殼甚至能夠在靠近電容感應焊盤(pán)區域有輕微的錐度，以壓縮板上PCB和板上器件之間形成微小的空間間隙。
圖1：帶有CSP MCU的可穿戴設備板垂直層疊圖
電路板布局
使用CSP封裝器件最大化的電路板空間，使得我們能夠在PCB上實(shí)現電容感應接口。MCU和加速計應集群分布在大體成圓形的PCB一側的邊緣，連同可以裸露的LED一起。當然LED可能需要在設備的封裝殼上開(kāi)孔來(lái)展現。
為 了檢測手指滑動(dòng)，電路板必須有兩個(gè)電容傳感器，理論上是相同尺寸的兩個(gè)傳感器，沿著(zhù)他們相同的邊沿輕微的交錯開(kāi)。這兩個(gè)傳感器應當占去板上MCU側的大部 分面積，然而它們應當被第三個(gè)細小的傳感器圍繞，同時(shí)這第三個(gè)傳感器也圍繞著(zhù)其他兩個(gè)傳感器。這第三個(gè)傳感器在用戶(hù)交互過(guò)程中提供我們MCU在進(jìn)行觸摸和 滑動(dòng)檢測過(guò)程中所需要使用的關(guān)鍵信息。
圖2：擁有電容傳感器的可穿戴設備電路板布局
觸摸檢測
可穿戴設備的極度便攜性意味著(zhù)這些設備通常放在身上或者手中。對于測量傳導物質(zhì)（例如手或者皮膚）接近的設備來(lái)說(shuō)，被設備檢測到的接近恒定的人體接觸可能導致觸摸檢測問(wèn)題。幸運的是，該設計中所選擇的MCU和加速計的特點(diǎn)幫助開(kāi)發(fā)人員克服了這些挑戰。
雖然該系統有三個(gè)電容傳感器，但是實(shí)際上它有四個(gè)觸摸輸入。加速計提供了中斷驅動(dòng)的輕敲探測器，能夠通過(guò)固件檢測觸摸事件并且以多種方式提供接口給我們。憑借加速器輕敲檢測器的優(yōu)勢，由EFM8SB1 MCU檢測的觸摸經(jīng)過(guò)以下階段：
• 在設備邊沿處的邊界傳感器處檢測到正向增量，執行一個(gè)輸入使用案例，這是用戶(hù)沿著(zhù)設備的邊沿拿著(zhù)設備，或者用手掌完全圍繞設備邊沿握持，馬上接下來(lái)是：
• 輕敲檢測事件由加速計發(fā)出，同時(shí)與下列事件保持一致
• 在中心的電容傳感器其一或全部檢測到顯著(zhù)幅度的正向增量
MCU的固件可以通過(guò)Silicon Labs Simplicity Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的電容感應固件庫實(shí)現所有電容感應觸摸檢測和過(guò)濾。
低功耗功能
加 速計和MCU都能夠被配置在低功耗模式下操作。電容感應固件庫使得EFM8SB1 MCU能夠進(jìn)入~300nA的睡眠模式，并且周期性的喚醒去檢查電容傳感器上的活動(dòng)事件。如果加速計發(fā)信號通知事件已經(jīng)檢測到并且數據已經(jīng)準備就緒，那么 MCU也能夠使用端口匹配喚醒事件去異步喚醒。
EFM8SB1 MCU將保持在低功耗狀態(tài)，并且僅僅消耗不到1µA電流，除非有下列情況之一發(fā)生：
• 觸摸檢測事件需要對電容感應輸入監視進(jìn)行更多響應
• 加速計活動(dòng)事件（例如輕敲檢測或者腳步檢測中斷）需要MCU喚醒去服務(wù)這些中斷
• 運動(dòng)通知事件，設備開(kāi)關(guān)LED去鼓勵用戶(hù)站起并走動(dòng)
與此同時(shí)，加速計被配置來(lái)實(shí)行最低的功耗操作狀態(tài)，同時(shí)僅僅在輕敲事件或者在三軸之一檢測到變化時(shí)才發(fā)送信號。但是片上緩存數據能夠最小化MCU和加速計之間的交互次數，進(jìn)一步優(yōu)化電池使用壽命。
MCU從加速計讀出緩沖數據之后，一些附加的檢查和分析必須被執行以確定是否有后續步驟。一旦三軸數據與存儲在EFM8SB1設備上的歷史數據相比較后，MCU可以更新其計步器，并且快速返回到低功率狀態(tài)。
下一步？
本 示例中展示了可穿戴設備領(lǐng)域內“單一功能”類(lèi)型的終端產(chǎn)品。在示例中CSP尺寸的集成電路操作所帶來(lái)的功能密度、精確度和能效也說(shuō)明了如何使用和控制這類(lèi) IC。例如，在可穿戴設計中描述的產(chǎn)品可以被視為更大產(chǎn)品中的一個(gè)子系統，其中芯片尺寸的MCU可作為低功耗傳感器集線(xiàn)器運行，去管理觸摸接口和加速計。 隨著(zhù)硅芯片供應商設法集成更多特性到更小封裝中，需要系統開(kāi)發(fā)人員充分利用這些創(chuàng )新去獲得產(chǎn)品設計的靈感。 |
