關鍵詞： 可穿戴

作者：Mendy Ouzillou，Silicon Labs IoT MCU和無線產品市場總監

當美國漫畫家Chester Gould在Dick Tracy的手腕上畫出手表圖案時，他一點也沒有意識到，科幻小說能在70年后變為現實。作為一名連環畫畫家，Gould想象出未來設備，卻沒有考慮太多細節。如今，這些非常真實的腕上設備和其他無線可穿戴設備（WWD）為工程師帶來一系列他們必須克服的設計細節挑戰。工程師必須在經濟實惠、引人注目、超緊湊的設計中無縫集成復雜的傳感、處理、顯示和無線技術，且可在單一、小巧和具有成本效益的電池供電下工作數個月，甚至數年。下面讓我們一起來討論對于可穿戴設備、技術和組件選擇的具體需求，以及如何在超小的外形尺寸中實現復雜功能、長電池使用壽命和無縫無線連接。

在可穿戴產品設計中，工程師必須考慮三個關鍵因素：各種操作模式下的功耗（節能）、從匹配電路到天線之間的適當RF設計、以及設計中器件的集成度。我們將更詳細的討論集成所面臨的挑戰，因為很難在不考慮功耗和RF設計的情況下獨立討論這個因素。

大多數無線可穿戴設備涵蓋共同的組件，包括電池、天線、微控制器（MCU）、無線電和傳感器。從這個名單上看，顯而易見，電池將在很大程度上影響可能實現的功能和WWD的工作壽命?？紤]到電池電量將會快速耗盡，大多數WWD并非一直保持連續的數據傳輸，因此通常我們假設通信是突發的和偶發的。此外，集成了無線電的MCU，通常被稱為無線MCU（WMCU），它使用方便、節省電路板面積并且降低了功耗，因此我們也假設在可穿戴設計中采用WMCU。

為應用選擇合適的WMCU是一項復雜的決策過程，因為對于功能豐富的設備的高功能性將受到電池操作壽命的限制。如果我們僅僅關注WMCU的峰值功耗，那么從電池壽命這一單一因素來看，評估結果是相當令人失望的。然而，WWD通常工作在多種不同的能耗模式（EM），并且僅在極少情況下進入高功耗狀態。因此，通過考慮在各種能耗模式中所花費的時間，我們可以評估電池的實際使用壽命。

Silicon Labs為其基于ARM架構的EFM32 MCU定義了5種能耗模式：EM0（活動/運行）、EM1（休眠）、EM2（深度休眠）、EM3（停止）和EM4（關閉）。這5種模式使得設計人員能夠靈活的決策和優化系統的整體功耗。然而，能夠識別這些模式以及數據手冊中的規格數據并不能確?！霸诟鞣N模式下都獲得低功耗”，或者簡單的說，不能確?！肮澞堋薄４_保節能并發展良好的終端客戶體驗是構建WMCU可運行于這些不同模式的方法。事實上，依賴于突發傳輸之間的時間間隔，活動模式EM0可能僅占整體功耗中極小比例。而深度休眠模式EM2所占用的時間可以代表電池使用壽命的最大比例。

當為應用選擇最佳WMCU時，工程師應當關注以下特性，包括可提供高集成度、具有良好架構的低功耗WMCU。超低功耗WMCU的一些特性無需多說，但也應被完整的列出：

●最低運行功耗（EM0）

●最低待機電流（EM1和EM2）

●微處理器內核的選擇，包括8位和32位ARM Cortex（從M0+到M4）

●無線電配置選擇，包括單收、單發、收發一體和性能等級

其他MCU特性，包括相關架構和集成度，同樣重要而且需要進一步說明：

●極短的喚醒時間

●自主的外設操作

●自主的外設間操作（外設反射系統）

●低能耗傳感器接口（LESENSE）

●豐富的高能效外設和接口

●RF集成

最低待機電流和極短喚醒時間

當打算設計一個盡可能節能的無線可穿戴設備時，人們必須要想到所有可能的功耗優化辦法。當設備喚醒時，它必須要盡可能快，如：盡可能快的收集和處理數據，然后盡可能快的返回到休眠模式。確保在休眠模式和活動模式之間快速轉換是一項必須要考慮到的關鍵要素。一個處理器在活動模式所花費的時間即使僅比另一個處理器多出10%，那么對電池壽命的影響也是巨大的。例如，假設處理器1花費99.9%的時間在休眠模式（1μA），0.1%的時間在活動模式（10mA），同時處理器2花費99.89%的時間在休眠模式，0.11%的時間在活動模式，那么第二個處理器的整體電流消耗將增加9.1%。有趣的是，如果處理器1和2在每6小時中分別處于活動模式100ms和110ms，那么其結果就會突顯出極低的深度休眠電流的重要性。在這種情況下，第二個處理器只比第一個多消耗0.44%的電量。然而，如果處于活動模式的時間相同，并且把深度休眠電流從1μA增加到1.1μA，那么電流消耗將上升9.6%！

自主的外設操作

取決于可穿戴設備的功能特性，可能需要對片上外設進行頻繁、甚至持續的交互或監視。在這種情況下，CPU在這些時間內要保持活動的需求將導致電池電量的消耗非常明顯。確保片上擁有無需CPU參與的自主操作能夠使系統運行在低能耗模式的同時，仍然能夠執行非常高級的任務。這些外設可包括串行接口（例如，低能耗UART、免晶體USB）、I/O端口（例如，外部中斷、GPIO）、定時器和觸發器（例如，低能耗定時器、低能耗傳感器接口）、模擬模塊（例如，ADC、LCD控制器）和安全（例如AES加速器）。

自主外設之間的操作（外設反射系統）

也有一些情況，外設之間可能需要進行通信。在這些情況下，一個外設需要能夠產生一個或者多個能夠立刻被另一個片上外設所感應到的事件。例如，一個定時器能夠被設定創建一個事件，然后觸發一個ADC開始采樣。在外設之間使能自主的操作，無需喚醒CPU，能夠確保獲得最低的系統功耗。這種能力是Silicon Labs EFM32 MCU架構的一個關鍵特性，被稱為外設反射系統（Peripheral Reflex System）。

低能耗傳感器接口（LESENSE）

最終當CPU需要被喚醒以執行特定任務時，大多數MCU被設置為在一系列特定時刻上喚醒，并監視它的接口，如果沒有動作需要，它將返回到休眠模式。這些定期喚醒循環產生了不必要的電池能量消耗。EFM32 MCU采用的LESENSE架構允許對模擬傳感器（電阻式、電容式和電感式）進行自主監測，僅僅在相關事件或者條件滿足時才喚醒CPU，就跟其他事件處理一樣。例如，LESENSE能夠被設置去自主的監測一個溫度傳感器，僅僅超過可編程的99華氏度門限時才通過外設反射系統喚醒CPU采取動作。因此，使用LESENSE能夠最小化CPU使能的時間，當不得不消耗最大功耗時，盡可能的縮短最大功耗時的運行時間。

豐富的高能效外設

開發一個在各種操作模式下都盡可能減少能耗的可穿戴設備需要仔細審查MCU的各個運行方面。雖然我們已經討論了外設的自主操作，但我們還需要進一步討論外設本身的低功耗需求。如果外設本身功耗極大或者如果時鐘在非必要情況下使能，那么自主操作起到的作用也會非常小。

就外設本身而言，時鐘管理單元對于MCU或者WMCU整體功耗起著重要作用。時鐘管理單元可以對多種時鐘和振蕩器進行單獨控制，并且基于操作所采用的功耗模式和使能的外設進行最優化時鐘選擇。使用低能耗振蕩器結合靈活的時鐘控制方案，能夠盡可能的最小化應用中的功耗。高能效的時鐘管理單元包括低電流振蕩器、低啟動時間、動態系統時鐘分頻、時鐘門控、以及用于32kHz外設模塊和時鐘預分頻器。

低能耗自治UART的有效性對于獲得超低系統功耗也是同等重要的，尤其是在深度睡眠（EM2）模式，這時大多數其他外設與CPU都處于關閉狀態。UART應該包括必要的硬件支持來最小化異步串行通信中的軟件干預。通過使用32.768 kHz時鐘源，低能耗的UART可支持高達9600 baud/s，并且當完成UART幀接收后，可以快速喚醒CPU。

當設備的大部分部件處于斷電狀態時，低能耗定時器能夠被用于定時和輸出，因此允許在執行簡單任務的同時保持系統功耗絕對最小值。如果適當配置，這種定時器能夠提供高達16kHz頻率（32kHz振蕩器頻率的一半）的無差錯波形。

對于MCU或者WMCU中的模擬資源，例如ADC、DAC、LCD控制器、模擬比較器和其他外設，應當仔細分析它們的功耗和靈活性。例如，12位1Msps ADC在全速時可消耗350μA，但是并非所有應用都需要運行在這種速率下。在僅需要6位、1ksps的應用中，這時ADC僅消耗0.5uA，功耗顯著減少了。LCD控制器應當能夠在沒有任何CPU干預下運行定制動畫，并且僅僅是更新數據時才喚醒CPU。

加密占用非常大的片上資源，且顯著消耗電池電量。最低成本的8位MCU通常需要把安全邏輯作為運行時代碼來執行，而32位MCU最可能包括一個AES加速器。當硬件AES加速器可用時，它應當有能力在無需CPU參與下自主運行，并且應當包括支持自治密碼模式的DMA以最小化電池消耗。

RF集成

以上的討論內容主要集中在MCU架構之內。然而，其他與無線收發器相關的特性也應當關注?；趹眯枨螅瑹o線可穿戴設備可能從不需要接收信息，但是多數設備需要在一些時候發射數據。電池供電設備的低功效放大器會顯著增加系統功耗，并且使應用增加電池尺寸和成本以滿足系統運行壽命的需要。例如，長距離通信設備可能需要RF有+13dBm、16dBm或甚至+20dBm等級別輸出功率。雖然在WMCU中集成+10dBm RF功率放大器（PA）是普遍存在的，但是如果應用需要更大輸出功率，那么就需要片外的三極管或者放大器。問題是對于創建低成本且切實可行的解決方案來說，這些片外助推器是無益的，因為解決方案既要滿足高效又要低成本。因此，在要求長距離和/或者頻繁通信的應用中，效率和電池壽命通常與獲得具有競爭力的成本目標是矛盾的?？朔@個問題的一種方法是確保WMCU中集成適當大小的PA，甚至最大可達+20dBm。通過在WMCU設備中集成PA，PA的電流消耗能夠被最小化。歸功于PA輸出和助推放大器之間的適當匹配，以及發射鏈的安全設計對溫度和電壓變動的補償，因此沒有損耗。一個完全集成的PA使得PA操作得以完全控制，確保獲得最低功耗。

許多應用運行于2.4GHz頻段，這種情況下，IC供應商有機會可以通過集成匹配電路和提供單端RF輸入輸出來簡化系統設計。Sub-GHz應用傾向于覆蓋非常寬的頻率范圍，從數百MHz到1GHz。在這些情況下，集成匹配組件是不現實的。然而，在WMCU中集成通常片外使用的被動器件，并且由于對于分離實現方案有成本優勢，因此在大多數流行的頻段應用中是可行的。

最后，我們在無線可穿戴設備中還沒有討論的是天線發射和接收特性。由于尺寸和成本限制，大多數無線可穿戴設備的天線發射特性一般都較差，因為它們通常簡單的把天線打印在PCB板面材料上（像FR4）。為了補償天線損耗或低增益，最簡單方法是增加RF輸出功率來獲得期望的輸出功率。不幸的是，如前面所討論的，這個發射器將比那些天線已經被優化過的發射器消耗更大的能量。更好的設計和更低的匹配電路損耗將是最優化操作的保證，但是天線設計具有極大的設計難度，特別是當考慮到可穿戴設備所處不斷變化的RF環境時。由靠近終端用戶身體（例如手覆蓋到設備上時）而產生的不匹配波動能夠引起許多問題。一些WMCU設備，例如Silicon Labs的Si4010“片上遙控器”發射器，有集成的天線調諧電路，能夠在這些時候動態的補償天線。這種電路起著非常重要的作用，不僅控制功耗，而且也確保無線電輻射保持在法規限定范圍之內。

一種補償較差天線接收性能的方法是把系統設計成天線分集接收，即采用多天線。雖然許多應用將從實施天線分集中獲益，但也有一些因素需要考慮。首先，天線分集傾向于幫助那些在發射端和接收端之間的距離上有如此情況的：接收到的信號水平接近背景噪聲水平（即接近鏈路覆蓋范圍的邊沿），或者由多徑傳輸或物體遮擋而產生的衰落傳輸環境。

為了降低功耗和芯片成本，WMCU IC通常僅集成一條接收路徑，因此天線分集必須通過一個片外天線開關進行切換，以便在兩個天線之間交替選擇。然而，由兩個天線共享一條接收路徑的方案可能比人們預期消耗更多的功耗。因為在這種情況下，發射的前導符長度必須被擴展，以便為兩個天線按順序進行評估提供足夠的時間。為分析和選擇最佳天線，也增加了計算成本和電流消耗。

最后，還有一個間距問題。在無線通信系統中天線之間的距離被推薦為波長（λ）的整數倍或分數倍，最小間距是1/4λ。在2.4GHz，波長為125mm，依據最小間距λ/4或31.25mm的分離天線設計在一些無線可穿戴設備內是可行的。然而，對于工作在Sub-GHz頻段的WWD來說，克服這種挑戰將變得極其困難。在868MHz頻段，天線應當被保持最小86mm的間距，這導致在許多WWD應用中無法使用天線分集。

因此，工程師必須在改善傳輸距離和接收性能與增加復雜性和尺寸、計算成本和電流消耗之間進行權衡。假設天線分集不是問題，增加的計算成本和相應的功耗能被克服。那么，在變化的和異步的環境中，定期的在天線間進行切換也是需要的，因為無線電在信息包到達前不知道哪個天線能夠實現更好的接收效果。Silicon Labs的EZRadioPRO收發器擁有集成的前導符質量檢測器以基于RSSI值來決定信號質量，并確認有效信息包到達兩個天線。集成檢測器的好處是它能夠選擇最佳的天線，卸載MCU負擔，從而也在選擇過程中減少整體功耗。

總結

如果今天Chester Gould依舊健在，那么他肯定印象深刻，他的想象力已被大大超越。眾多公司已經推出了遠遠超過Dick Tracy具有無線電話功能的腕表設備，并且正在開發各類更先進的可穿戴設備。然而，當設計人員試圖集成更多特性和功能到無線可穿戴設備時，底層的關注點幾乎總是相同的——如何獲得更低的功耗、如何在設計中適應小的外形尺寸、如何確保設備具有可靠的無線通信。而且最終的關切點將是如何以盡可能低的價格獲得這些產品設計目標，但是那是我們的另一個話題…“Six-two and even,over and out”。