无线可穿戴产品致胜设计六大策略(1)

无线可穿戴产品致胜设计六大策略(1)

当美国漫画家Chester Gould在Dick Tracy的手腕上画出手表图案时，他一点也没有意识到，科幻小说能在70年后变为现实。作为一名连环画画家，Gould想象出未来设备，却没有考虑太多细节。如今，这些非常真实的腕上设备和其他无线可穿戴设备(WWD)为工程师带来一系列他们必须克服的设计细节挑战。工程师必须在经济实惠、引人注目、超紧凑的设计中无缝集成复杂的传感、处理、显示和无线技术，且可在单一、小巧和具有成本效益的电池供电下工作数个月，甚至数年。下面让我们一起来讨论对于可穿戴设备、技术和组件选择的具体需求，以及如何在超小的外形尺寸中实现复杂功能、长电池使用寿命和无缝无线连接。

在可穿戴产品设计中，工程师必须考虑三个关键因素：各种操作模式下的功耗(节能)、从匹配电路到天线之间的适当RF设计、以及设计中器件的集成度。我们将更详细的讨论集成所面临的挑战，因为很难在不考虑功耗和RF设计的情况下独立讨论这个因素。

大多数无线可穿戴设备涵盖共同的组件，包括电池、天线、微控制器(MCU)、无线电和传感器。从这个名单上看，显而易见，电池将在很大程度上影响可能实现的功能和WWD的工作寿命。考虑到电池电量将会快速耗尽，大多数WWD并非一直保持连续的数据传输，因此通常我们假设通信是突发的和偶发的。此外，集成了无线电的MCU，通常被称为无线MCU(WMCU)，它使用方便、节省电路板面积并且降低了功耗，因此我们也假设在可穿戴设计中采用WMCU。

为应用选择合适的WMCU是一项复杂的决策过程，因为对于功能丰富的设备的高功能性将受到电池操作寿命的限制。如果我们仅仅关注WMCU的峰值功耗，那么从电池寿命这一单一因素来看，评估结果是相当令人失望的。然而，WWD通常工作在多种不同的能耗模式(EM)，并且仅在极少情况下进入高功耗状态。因此，通过考虑在各种能耗模式中所花费的时间，我们可以评估电池的实际使用寿命。

Silicon Labs为其基于ARM架构的EFM32 MCU定义了5种能耗模式：EM0(活动/运行)、EM1(休眠)、EM2(深度休眠)、EM3(停止)和EM4(关闭)。这5种模式使得设计人员能够灵活的决策和优化系统的整体功耗。然而，能够识别这些模式以及数据手册中的规格数据并不能确保“在各种模式下都获得低功耗”，或者简单的说，不能确保“节能”。确保节能并发展良好的终端客户体验是构建WMCU可运行于这些不同模式的方法。事实上，依赖于突发传输之间的时间间隔，活动模式EM0可能仅占整体功耗中极小比例。而深度休眠模式EM2所占用的时间可以代表电池使用寿命的最大比例。

当为应用选择最佳WMCU时，工程师应当关注以下特性，包括可提供高集成度、具有良好架构的低功耗WMCU。超低功耗WMCU的一些特性无需多说，但也应被完整的列出：

●最低运行功耗(EM0)

●最低待机电流(EM1和EM2)

●微处理器内核的选择，包括8位和32位ARM Cortex(从M0+到M4)

●无线电配置选择，包括单收、单发、收发一体和性能等级

其他MCU特性，包括相关架构和集成度，同样重要而且需要进一步说明：

●极短的唤醒时间

●自主的外设操作

●自主的外设间操作(外设反射系统)

●低能耗传感器接口(LESENSE)

●丰富的高能效外设和接口

●RF集成

最低待机电流和极短唤醒时间

当打算设计一个尽可能节能的无线可穿戴设备时，人们必须要想到所有可能的功耗优化办法。当设备唤醒时，它必须要尽可能快，如：尽可能快的收集和处理数据，然后尽可能快的返回到休眠模式。确保在休眠模式和活动模式之间快速转换是一项必须要考虑到的关键要素。一个处理器在活动模式所花费的时间即使仅比另一个处理器多出10%，那么对电池寿命的影响也是巨大的。例如，假设处理器1花费99.9%的时间在休眠模式(1μA)，0.1%的时间在活动模式(10mA)，同时处理器2花费99.89%的时间在休眠模式，0.11%的时间在活动模式，那么第二个处理器的整体电流消耗将增加9.1%。有趣的是，如果处理器1和2在每6小时中分别处于活动模式100ms和110ms，那么其结果就会突显出极低的深度休眠电流的重要性。在这种情况下，第二个处理器只比第一个多消耗0.44%的电量。然而，如果处于活动模式的时间相同，并且把深度休眠电流从1μA增加到1.1μA，那么电流消耗将上升9.6%!

自主的外设操作

取决于可穿戴设备的功能特性，可能需要对片上外设进行频繁、甚至持续的交互或监视。在这种情况下，CPU在这些时间内要保持活动的需求将导致电池电量的消耗非常明显。确保片上拥有无需CPU参与的自主操作能够使系统运行在低能耗模式的同时，仍然能够执行非常高级的任务。这些外设可包括串行接口(例如，低能耗UART、免晶体USB)、I/O端口(例如，外部中断、GPIO)、定时器和触发器(例如，低能耗定时器、低能耗传感器接口)、模拟模块(例如，ADC、LCD控制器)和安全(例如AES加速器)。

自主外设之间的操作(外设反射系统)

也有一些情况，外设之间可能需要进行通信。在这些情况下，一个外设需要能够产生一个或者多个能够立刻被另一个片上外设所感应到的事件。例如，一个定时器能够被设定创建一个事件，然后触发一个ADC开始采样。在外设之间使能自主的操作，无需唤醒CPU，能够确保获得最低的系统功耗。这种能力是Silicon Labs EFM32 MCU架构的一个关键特性，被称为外设反射系统(Peripheral Reflex System)。

低能耗传感器接口(LESENSE)

最终当CPU需要被唤醒以执行特定任务时，大多数MCU被设置为在一系列特定时刻上唤醒，并监视它的接口，如果没有动作需要，它将返回到休眠模式。这些定期唤醒循环产生了不必要的电池能量消耗。EFM32 MCU采用的LESENSE架构允许对模拟传感器(电阻式、电容式和电感式)进行自主监测，仅仅在相关事件或者条件满足时才唤醒CPU，就跟其他事件处理一样。例如，LESENSE能够被设置去自主的监测一个温度传感器，仅仅超过可编程的99华氏度门限时才通过外设反射系统唤醒CPU采取动作。因此，使用LESENSE能够最小化CPU使能的时间，当不得不消耗最大功耗时，尽可能的缩短最大功耗时的运行时间。

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