可穿戴设备是指人体可穿戴的微型电子产品，通常与现有配饰(如手表)集成或者取而代之。在物联网技术的支持下，该细分市场正迅猛发展，因此对于更小型化、更直观的设备的需求也在快速提升。目前，智能手表、智能眼镜以及体育与健身活动跟踪器等体现出这一发展趋势。除了消费类市场之外，医疗行业也对身体状况与功能的监控设备有着更高的需求。

可穿戴设备中最重要的电子组件就是微控制器(MCU)。由于这些MCU不但需要尺寸小，而且还需要执行更多功能，因此，集成成为了另一大要素。我们将会在本文中探讨可穿戴电子系统的不同需求、如何根据有关需求细分市场、典型可穿戴设备中的不同组件和MCU如何满足相关需求。

>>>>可穿戴设备的需求

美观：可穿戴设备需要时尚漂亮，而且需要能够搭配当前的时尚配饰，如装饰品、手表、眼镜等。美观非常重要，以至于英特尔等半导体巨头都在同时尚行业携手打造时尚设备。

电容式触摸感应技术是提高美感的关键技术。电容式用户界面需要支持各种外形(包括曲面)、能够防液体，以及支持厚的覆盖层感应等。赛普拉斯的CapSense和TrueTouch技术使此类需求变得切实可行。

尺寸：如前所述，这种器件必须做到尺寸小，以便轻松集成到可穿戴设备。不过与此同时，设备还应当在相同空间集成更多功能。片上系统(SoC)和芯片级封装(CSP)等技术有助于缩小尺寸。例如，赛普拉斯可以提供采用WLCSP等多种封装选项的可编程片上系统(PSoC)器件。

防水：可穿戴设备会被用户带到任何地方。因此，关键是这些设备的设计能够抵抗环境条件，如水滴、湿气、汗液等。

功耗：由于可穿戴设备是由电池供电，因此降低其功耗存在特殊挑战。由于可穿戴设备大部分是监控设备，与其它移动设备不同的是，它需要始终打开并且保持连接。例如，智能手表需要始终显示时间，并通过蓝牙等无线方式连接到手机，以便接收提醒；计步器需要一直计算步数并向手机应用报告；同样，心率监控器需要一直提供监控和报告。不过由于设备需要降低整体尺寸，因此会从内在限制电池容量。

这些设备需要以超低功率运行，以延长电池使用寿命。此项需求对MCU与固件算法提出了特殊要求。32位ARM架构是可穿戴设备常用的CPU技术，因为它能提供最佳性能与高能效。另外可设计采用ANT+、低功耗蓝牙(BLE)等无线技术实现低功耗。

无线通信：无线连接对于可穿戴设备而言非常重要，因为后者需要与一个或多个设备进行交互。根据类型和所提供的功能，此类设备需要支持不同的无线协议，如Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的专有协议等。一些设备需要支持多种协议。例如某种腕表采用专有无线协议与心率监控胸带通信，同时采用BLE与手机中的跑步应用进行通信。

>>>>选择适当的应用处理器或微控制器

除了需要应用处理器的高级信息娱乐设备之外，MCU可以充分满足大多数可穿戴设备的需求。另外，最新MCU可在单个芯片中集成大部分功能。这对降低可穿戴设备的整体尺寸和BOM成本都具有重要作用。

举例来说，ARM cortex-M控制器可以驱动简单的腕带，但是智能手表需要采用应用处理器，以便运行Android等复杂的操作系统。

如前所述，32位ARM处理器在可穿戴设备中非常受欢迎，因为其能够提供最佳性能与高能效。PSoC等现代控制器利用ARM架构的功能优势在单个芯片中集成了高级模拟和可编程数字功能，同时还采用ARM cortex-M内核等。

一些高级设备采用独立的协处理器把传感器数据处理工作从主处理器上转移出来。之所以需要这么做是因为设备可能具有需要实时分析以及CPU支持的传感器数据负载。此功能称为“传感器集线器”或“传感器融合”。图1说明了传感器集线器在可穿戴系统中的作用。

操作系统：根据类型和所提供的功能，可穿戴设备可能需要、也可能不需要特定的操作系统。例如一个用于监测温度、采用3轴加速计测量运动以及用单色段式LCD显示时间的简单腕表可以运行轻量型RTOS，而用于扩展手机功能的智能手表需要运行Android等高级操作系统。同时，传感器集线器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

>>>>市场细分

正确的市场细分使设计人员能够开发合适的产品，同时帮助用户选择最佳设备。表1根据设备功能列出了不同的细分市场。表格按细分市场的复杂性自上而下增加。

>>>>可穿戴电子设备中的组件

图2给出了可穿戴系统的方框图，该系统包含了我们前文所述的所有功能。

根据所采用的主处理器的类型，可以在单个处理器芯片中集成更多的外设功能。举例来说，大部分的PSoC器件都可以轻松集成电容式感应功能，并且无需单独的触摸控制器。同样，基于赛普拉斯Cortex M0的PSoC4集成了LCD驱动器。图3给出了智能手表的方框图，这是第一代可穿戴设备的典型例子。

可穿戴设备的重要子系统是数据采集或传感器子系统。根据器件的类型，其可能是只有几个MEMS传感器的简单系统，也可能是采用专用传感器集线器连接相关传感器的复杂系统。MEMS传感器在用于监控人体各方位运动的健身和健康设备中发挥着关键作用。这些传感器又称为运动传感器。所有这些传感器都是通过I2C或SPI通信接口提供数字式运动信息。此类传感器的示例包括3轴加速计、陀螺仪、磁力计和气压高度表。

模拟传感器广泛用于医疗保健设备中。此类传感器示例包括心率监控器、EEG等生物计量传感器。模拟传感器需要称为模拟前端(AFE)的特殊组件。AFE包含运算放大器、滤波器和ADC，其用于将模拟信号调节并转换成数字信号，以便于CPU处理。该功能有时可与CPU集成(比方说PSoc的设计就使得其通信功能可以直接用作传感器集线器)。

还有一个重要的子系统是用户界面(UI)系统。用户如何与可穿戴设备交互是极其重要的考虑因素。为了最大限度地降低复杂性，交互应当尽可能地直观。电容式触摸感应是目前最直观的UI。根据相关应用的不同，可以采用多种方式实现电容式UI，如触摸屏、按键与滑条等。

LED、蜂鸣器和振动电机等UI元件可以帮助实现设备向用户提供的提醒与反馈。举例来说，如图3所示的智能手表设计连接到手机，需要在有消息时提醒用户。

脉宽调制(PWM)对驱动这些元件的关键。PWM可用于实现调光等各种LED效果，而且还能提供实现触觉反馈的各种振动效果。如果在固件中实现，这些技术需要精确的定时和频繁的CPU处理。因此，关键是选择支持硬件PWM的处理器/控制器。

本文作者：赛普拉斯半导体 Sivaguru Noopuran, VairamuthuRamasamy, Chethan Gowda

来源：德州仪器在线支持社区

几年前，腕带尺寸的健康监测器在现场爆炸时，健身产品市场受到了冲击。然后，智能手表出现了，智能手表能够收集更高级的健康相关数据。现在，远程医疗变得日益流行。事实上，有人说很大程度上依靠远程健康监测设备的远程医疗，在未来降低医疗成本方面具有巨大的潜力。

因此，随着健康监测器市场逐渐升温，需要具有功能和资源特殊结合的微控制器（MCU）来简化产品开发，提供这些设备所需的质量。开发人员“必备”列表首先肯定是高度集成，因为大多数健康监测器是非常小的设备，这意味着MCU和相关电路必须具有非常小的形状。

包括TI的新MSP430FR2311 MCU在内的新MCU集成比过去典型MCU更多的功能。新集成功能包括具有几个标准运算放大器的模拟前端，能够将非常低的电流转换为电压信号的极低功率跨阻放大器（TIA），一个铁电随机存取存储器（FRAM）的同质块，而不是典型的RAM /闪存架构，以及片上振荡器。对于很小的3.5毫米x 4毫米封装而言，这已经是很多功能了。

数字温度计等小外形健康监测设备需要这样的MCU。整个系统不仅能够满足应用苛刻的空间要求，而且非常敏感的TIA使设备极其准确，避免错误读数，这在卫生行业是必要的。MSP430FR2311 MCU的TIA具有仅为50皮安（pA）的输入漏电流，比业界任何其他电流检测解决方案低20倍。较低的输入漏电流使TIA可以感测较低的电流，使得该设备对测量的参数更加敏感。低功率TIA还延长了设备的电池寿命。

统一的FRAM存储器架构意味着开发人员不必在闪存中占用代码存储空间与在RAM中占用数据记录存储。一大块的FRAM允许系统设计者决定最适合应用的代码到数据存储比例。

当然，下一代健康监测设备可能演变成多功能设备。例如，一些监测器现在测量紫外线（UV）强度，警告用户可能导致晒伤的情况。传感器可用于测量温度和湿度。将这些功能结合在一起，可以使安装在腕带上的设备警告佩戴者需要防晒和危险的高温情况。下一步可能是监测皮肤温度和心率，这可以向建筑工人提供热衰竭的早期警告。

当然，得益于MSP430FR2311 MCU等高性能MCU，我们将来几乎可以看到无限种类的低成本、高精度、多功能健康监测设备。

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在当今群雄逐鹿、竞争激烈的可穿戴市场中，获得成功的关键在于差异化的产品特性和服务。制造商和服务提供商竞相争夺同样的可穿戴“市场大饼”。成功设计可穿戴式产品是一项复杂的工程。成功的产品需要成本、性能、功能、电池使用寿命的完美组合，必须具备引人注目的外观、感受和表现以吸引消费者。我们需要通过关注最终用户体验和探索使用情形，以便在可穿戴产品中集成各种不同元素并完成复杂的权衡。

典型的嵌入式系统通常开始于功能和能力定义，它们可说是项目的首要驱动关键。同样，成功的可穿戴产品设计需求要关注于“用户体验”。这些需求包括可穿戴产品的外观、感觉和与最终用户的交互，以及它所引起的印象、感受和情绪。

当今有许多能够监测健康和生物特征、跟踪运动距离、记录移动路线、估计能量消耗、以及来电和邮件通知的可穿戴产品，同时可以无缝的和我们的智能电话进行整合和通信。这些可穿戴产品设计非常专注用户体验；它们时尚、特性丰富、易用、价格适中、并且可连接到物联网（IoT）。

可穿戴市场能够分成三种产品类别，每一类别需要的设计权衡，如图1所示：

●活动追踪器：这些相对简单的产品往往不包括LCD显示屏。如此简单的好处之一是这些产品是经济的、易用、并且往往有最长的电池使用寿命。

●带有小型或中型显示器的健身带和“超级手表”：这些可穿戴产品可能包括多种生物和环境传感器，并且在特性/功能、电池使用寿命和成本之间选择最佳平衡点。

●智能手表：这些手表大小的复杂设计占据高端市场，并且通常运行在操作系统（例如Android Wear）之上。智能手表提供特性丰富的用户体验，但是更多功能和处理能力消耗更多的电池电量，通常每天都需要进行充电。

可穿戴产品中的一个关键器件选择是微控制器（MCU）。选择具有出色低功耗操作的MCU是大多数可穿戴应用的关键所在。当今的32位架构中，ARM Cortex-M系列已成为领先的低功耗处理平台。Cortex-M0+是2级流水线架构，在一些性能效率和低活动模式电流消耗之间进行了最佳权衡。Cortex-M3和M4处理器提供了3级流水线，具有良好的功耗和性能平衡。M4处理器的单精度浮点单元和DSP扩展能够为软件算法大大缩短了执行时间和能量消耗，例如常用于从噪声传感器数据中提取信息的Kalman滤波算法。智能手表需要更先进的处理器（例如Cortex-M7）和专有内核，要为更高处理能力和高带宽内存接口的一些功效进行权衡。表1总结了主要可穿戴产品类型所需的关键处理能力和特性需求。

选择合适的电池技术也是重要的设计考虑。一次性电池具有不需要任何专门充电电路的优势；它们也有更好的能量密度并提供更多的能量容量。不足之处是它们使得机械设计变得更复杂并且限制了整体产品的易用性。可充电电池能获得更轻薄的设计，但增加了成本和设计复杂性。无论如何选择，可穿戴产品都需要小巧的外形，这就限制了电池的尺寸和提供的能量。可穿戴产品需要一种系统级的方案，专注于尽可能的在包括硬件和软件在内的所有级别上减少能耗。

在追求更长电池使用寿命的过程中，可穿戴产品的设计师不能为能效而牺牲良好的用户体验。幸运的是，MCU现在已经为获得更长电池使用寿命而在最佳性能和低功耗优化之间取得平衡。除了低功耗电流之外，快速唤醒时间也是关键特性之一。休眠到激活状态的快速转换能够获得更好的系统响应并减少能耗。具有灵活唤醒源、超低功耗定时器和串行接口的MCU也为设计者提供了强大的选项。更先进的MCU即使在MCU处于休眠状态也能够提供有效运行的外设。这种自治外设技术的典型例子是Silicon Labs的外设反射系统（Peripheral Reflex System，PRS），如图2所示，在EFM32 Gecko MCU外设中，例如模数转换器（ADC）和直接存储器存取（DMA）引擎能够自治的响应外部输入或中断触发，而无需任何CPU参与。这种方法能够设置MCU处于休眠状态，可以在来自传感器的输入超过预设定的门限之后才醒来，而不是让MCU在活动、高功耗状态下不停的查询同一个传感器。

可穿戴产品上基于CMOS的传感器为丰富用户体验提供了基础，使能新应用和使用案例。有三种主要的可穿戴产品传感器类别：运动传感器、环境传感器和生物传感器。每种传感器类型提供了对于最终用户活动、环境和健康的特有的洞察。当组合起来，它们更加强大。可穿戴产品中传感器的组合和使用需要许多权衡。光学传感器需要使用能够穿透光线的材料。特定传感器的电源可能需要门控，以至于它们不会成为电池的永久负载，但是这种方法增加了设计复杂性。预期的用户体验、成本和使用案例最终驱动可穿戴产品中传感器集成的最佳水平。

移动app是所有可穿戴解决方案的重要组成部分，而Bluetooth Smart已迅速成为连接可穿戴产品到基于iOS和Android的移动设备时的主要无线解决方案。Bluetooth Smart具有优化的低功耗运行模式。它非常适合于传输传感器数据、同步用户信息、提供空中更新支持。智能手机提供了非常灵活的用户界面，app实现了丰富的个性化能力，这种能力无法简单的以其他方式通过可穿戴产品单独实现。然而，添加和使用无线连接会增加设计成本。成功的可穿戴设计需要谨慎的平衡处理。无线传输通常是可穿戴系统中的最高耗能者。决定消息以多大数量和多大频率进行传输或者可穿戴产品与智能手机以多大频率进行同步，对于最终产品的电池使用寿命会产生巨大的影响。高数据量的使用能够把电池使用寿命缩短到数小时或数天。而更保守的方法也许能够使同样产品的寿命延长到几个星期或几个月。

可穿戴市场可能已不再处于起步阶段，随着低功耗MCU、基于CMOS传感器和无线SoC的不断突破，我们现在正处于可穿戴产品创新的新时代前夕。随着可以更容易的访问更精确传感器驱动的最终用户数据，可穿戴设备能够可靠和唯一的识别用户。从健康和活动跟踪到安全和可靠用户识别的转换能够在医疗保健、安全、移动支付和社交网络开辟更多新机会。第一个在这些领域以适当成本获得引人注目用户体验的可穿戴式产品，将成为市场的下一个大赢家。

消费类电子产品经过几十年的发展已经有无数种各类用途的设备，从专业设备到个人消费品。虽然存在性能和功能的差异，但是消费类电子产品往往遵循相同 的设计趋势：设备功能变得越来越强大、体积小巧和省电。可穿戴设备集中体现了这一趋势，它是一种便携、电池供电、高集成度的设备，负责从高精度模拟测量到 直观用户界面的所有一切。可穿戴式设备开发人员必须仔细的在多种集成电路（IC）中匹配产品的需求，有时还需要同时应对相互矛盾的优先选项。

例如，让我们仔细思考，在灵巧的可穿戴式设计中如何兼顾尺寸、电池寿命和功能，同时又不忽视可穿戴设备的特殊性：包括它们的个性化功能和吸引力。我们以“功 能单一”类型的可穿戴设备为例——一个没有屏幕、纽扣电池供电的计步器，可以在当用户需要运动时提醒用户，同时也能够保持跟踪一整天的步数。一个简单的电 容感应触控接口实现用户输入，一个三色LED提供刚好够用的富有表现力的输出，这使产品可以提供方便且具吸引力的个性功能。这个产品设计展示了功能强大的 IC如何塞入小型封装中，有助于促进创新和产品差异化。

我们的产品需求

让我们先来勾画出产品的基本需求。在定义了功能集之后，我们能够选择负责各项功能的组件。这是一款精简到只剩基本功能的计步器。没有提供屏幕、蜂鸣器或者iPhone应用程序，该设备有意突出它的简朴和小尺寸。它的用户接口同样简洁明了。

基本设计需求包括：

• 最小化可实现的外形尺寸：带有外壳的产品应当在各项尺寸上尽可能接近CR2032电池的大小，因此用户能够在口袋中携带该设备，或者挂到他们的钥匙链上。

• 用户输入：在纽扣电池形状壳体的一侧，提供能够识别如下输入的电容触摸接口：

o 滑动：解除提示用户需要起立的报警

o 轻敲并保持：开启新的一天（复位计步器）

o 轻敲：检查一天中的步数

• 简单的输出：在壳体某处裸露的LED提供所有输出：

o 红色：定时的短闪烁表示用户已经保持不动太长时间了

o 绿色双闪：当用户开始新一天时通过轻敲并保持动作触发

o 1秒钟红/黄/绿输出：指示一天内达到33%、66%和100%步数的百分比，在轻敲触摸接口后持续几秒钟

如何实现小型化？

CR2032 电池的直径是20mm，高度是3mm。很显然，我们的系统必须比它稍微大些，但是我们如何在现实中实现可穿戴设备的小型化呢？让我们假设产品的塑料外壳能 够做的非常薄，因此在直径上它增加的长度不会超过5mm，同时易于支持电池更换。对于高度，我们如何最小化该设计的高度并保持大致纽扣电池那样的尺寸呢？ 在产品的垂直堆叠中，它的高度由四种器件尺寸构成：电池、印制电路板（PCB）、PCB上的器件和产品的塑料外壳。对于四层PCB来说，PCB厚度大约为 0.5mm。而如何最小化焊接到该PCB上的器件高度需要仔细进行型号选择。这时寻找高性能的芯片级尺寸封装的器件对于我们的设计来说至关重要。

芯片级尺寸封装的好处

晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）代表了制造和芯片组装技术中多年持续进步的成果。在WLCSP封装中，硅被直接连接到封装一侧的焊球上，与之相反，旧有技术通过绑定线连接硅端口焊盘到封装引脚。这种设计的影响是封装能够设计成宽度和高度都接近内部硅片自身尺寸的大小。

IC 供应商们争相发布WLCSP的封装支持现有的多种设备，从而获得极小封装类型的好处。此时会出现的挑战是：一些厂商的硅片相当大，以至于它在获得更小尺寸 的封装上没有竞争力。来自Silicon Labs的EFM8SB1 MCU非常适合CSP封装类型，这是因为虽然该MCU有极高的功能密度，但是它已经适应小封装尺寸（例如3mm×3mm QFN封装）。EFM8SB1 WLCSP封装尺寸仅为1.78mm×1.66mm。

EFM8SB1 MCU成为这个设计和其他可穿戴设计的理想选择，它的关键特性包括：

• 8位MCU提供超低功耗、高灵敏度电容感应输入。

• 片上实时时钟能够周期的从超低功耗（~300nA）状态唤醒系统。在这个设计中，这个时钟的一个用途就是测量从最近一次走动以来的时间，并发送活动通知去鼓励用户站起来并走动。

• 2-8kB闪存和512字节的RAM维持在整个低功耗周期内，结合25MHz的8051内核使这个小设备具有执行逻辑和进行多种系统响应的能力。

接 下来是计步器的选择。为了充分利用CSP封装的MCU所带来的超薄特性，所有板上的集成电路理论上也要选择CSP封装的器件。出于这个原因，我们的板上加 速计理论上也应当支持CSP封装。最新发布的Bosch BMA355提供高集成度的传感器，在片上实现多种三轴事件监测，可以通过SPI接口与EFM8 MCU进行通信交互的事件。

因为两个IC器件以及必要的几个分立被动器件都能够采用超薄封装，因此产品的塑料外壳可制成超薄的并且靠近电容感应面，从而优化触摸灵敏度。其产品外壳甚至能够在靠近电容感应焊盘区域有轻微的锥度，以压缩板上PCB和板上器件之间形成微小的空间间隙。

电路板布局

使用CSP封装器件最大化的电路板空间，使得我们能够在PCB上实现电容感应接口。MCU和加速计应集群分布在大体成圆形的PCB一侧的边缘，连同可以裸露的LED一起。当然LED可能需要在设备的封装壳上开孔来展现。

为 了检测手指滑动，电路板必须有两个电容传感器，理论上是相同尺寸的两个传感器，沿着他们相同的边沿轻微的交错开。这两个传感器应当占去板上MCU侧的大部 分面积，然而它们应当被第三个细小的传感器围绕，同时这第三个传感器也围绕着其他两个传感器。这第三个传感器在用户交互过程中提供我们MCU在进行触摸和 滑动检测过程中所需要使用的关键信息。

触摸检测

可穿戴设备的极度便携性意味着这些设备通常放在身上或者手中。对于测量传导物质（例如手或者皮肤）接近的设备来说，被设备检测到的接近恒定的人体接触可能导致触摸检测问题。幸运的是，该设计中所选择的MCU和加速计的特点帮助开发人员克服了这些挑战。

虽然该系统有三个电容传感器，但是实际上它有四个触摸输入。加速计提供了中断驱动的轻敲探测器，能够通过固件检测触摸事件并且以多种方式提供接口给我们。凭借加速器轻敲检测器的优势，由EFM8SB1 MCU检测的触摸经过以下阶段：

• 在设备边沿处的边界传感器处检测到正向增量，执行一个输入使用案例，这是用户沿着设备的边沿拿着设备，或者用手掌完全围绕设备边沿握持，马上接下来是：

• 轻敲检测事件由加速计发出，同时与下列事件保持一致

• 在中心的电容传感器其一或全部检测到显著幅度的正向增量

MCU的固件可以通过Silicon Labs Simplicity Studio开发环境提供的电容感应固件库实现所有电容感应触摸检测和过滤。

低功耗功能

加 速计和MCU都能够被配置在低功耗模式下操作。电容感应固件库使得EFM8SB1 MCU能够进入~300nA的睡眠模式，并且周期性的唤醒去检查电容传感器上的活动事件。如果加速计发信号通知事件已经检测到并且数据已经准备就绪，那么 MCU也能够使用端口匹配唤醒事件去异步唤醒。

EFM8SB1 MCU将保持在低功耗状态，并且仅仅消耗不到1µA电流，除非有下列情况之一发生：

• 触摸检测事件需要对电容感应输入监视进行更多响应

• 加速计活动事件（例如轻敲检测或者脚步检测中断）需要MCU唤醒去服务这些中断

• 运动通知事件，设备开关LED去鼓励用户站起并走动

与此同时，加速计被配置来实行最低的功耗操作状态，同时仅仅在轻敲事件或者在三轴之一检测到变化时才发送信号。但是片上缓存数据能够最小化MCU和加速计之间的交互次数，进一步优化电池使用寿命。

MCU从加速计读出缓冲数据之后，一些附加的检查和分析必须被执行以确定是否有后续步骤。一旦三轴数据与存储在EFM8SB1设备上的历史数据相比较后，MCU可以更新其计步器，并且快速返回到低功率状态。

下一步？

本示例中展示了可穿戴设备领域内“单一功能”类型的终端产品。在示例中CSP尺寸的集成电路操作所带来的功能密度、精确度和能效也说明了如何使用和控制这类 IC。例如，在可穿戴设计中描述的产品可以被视为更大产品中的一个子系统，其中芯片尺寸的MCU可作为低功耗传感器集线器运行，去管理触摸接口和加速计。 随着硅芯片供应商设法集成更多特性到更小封装中，需要系统开发人员充分利用这些创新去获得产品设计的灵感。

来源：网络