“可穿戴”設備是指人體可穿戴的微型電子產品，通常與現有配飾（如手表）集成或者取而代之。在物聯網技術的支持下，該細分市場正迅猛發展，因此對于更小型化、更直觀的設備的需求也在快速提升。目前，智能手表、智能眼鏡以及體育與健身活動跟蹤器等體現出這一發展趨勢。除了消費類市場之外，醫療行業也對身體狀況與功能的監控設備有著更高的需求。

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。我們將會在本文中探討可穿戴電子系統的不同需求、如何根據有關需求細分市場、典型可穿戴設備中的不同組件和MCU如何滿足相關需求。

可穿戴設備的需求

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

電容式觸摸感應技術是提高美感的關鍵技術。電容式用戶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技術使此類需求變得切實可行。

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。不過與此同時，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：可穿戴設備會被用戶帶到任何地方。因此，關鍵是這些設備的設計能夠抵抗環境條件，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，與其它移動設備不同的是，它需要始終打開并且保持連接。例如，智能手表需要始終顯示時間，并通過藍牙等無線方式連接到手機，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。不過由于設備需要降低整體尺寸，因此會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，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）等無線技術實現低功耗。

無線通信：無線連接對于可穿戴設備而言非常重要，因為后者需要與一個或多個設備進行交互。根據類型和所提供的功能，此類設備需要支持不同的無線協議，如Wi-Fi、ANT+、BLE、基于IEEE 802.15.4的專有協議等。一些設備需要支持多種協議。例如某種腕表采用專有無線協議與心率監控胸帶通信，同時采用BLE與手機中的跑步應用進行通信。

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設備之外，MCU可以充分滿足大多數可穿戴設備的需求。另外，最新MCU可在單個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。

舉例來說，ARM cortex-M控制器可以驅動簡單的腕帶，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架構的功能優勢在單個芯片中集成了高級模擬和可編程數字功能，同時還采用ARM cortex-M內核等。

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

圖1:傳感器集線器在可穿戴系統中的作用。

操作系統：根據類型和所提供的功能，可穿戴設備可能需要、也可能不需要特定的操作系統。例如一個用于監測溫度、采用3軸加速計測量運動以及用單色段式LCD顯示時間的簡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，傳感器集線器需要具有上下文感知算法的特殊固件。

市場細分

正確的市場細分使設計人員能夠開發合適的產品，同時幫助用戶選擇最佳設備。表1根據設備功能列出了不同的細分市場。表格按細分市場的復雜性自上而下增加。

表1:可穿戴設備的市場細分

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型，可以在單個處理器芯片中集成更多的外設功能。舉例來說，大部分的PSoC器件都可以輕松集成電容式感應功能，并且無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。根據器件的類型，其可能是只有幾個MEMS傳感器的簡單系統，也可能是采用專用傳感器集線器連接相關傳感器的復雜系統。MEMS傳感器在用于監控人體各方位運動的健身和健康設備中發揮著關鍵作用。這些傳感器又稱為運動傳感器。所有這些傳感器都是通過I2C或SPI通信接口提供數字式運動信息。此類傳感器的示例包括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。該功能有時可與CPU集成（比方說PSoc的設計就使得其通信功能可以直接用作傳感器集線器）。

還有一個重要的子系統是用戶界面（UI）系統。用戶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。電容式觸摸感應是目前最直觀的UI.根據相關應用的不同，可以采用多種方式實現電容式UI,如觸摸屏、按鍵與滑條等。

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

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

作者介紹：

Sivaguru Noopuran（[email protected]）是賽普拉斯半導體公司的產品市場營銷工程師，擁有5年多的經驗。他的主要興趣是用戶界面產品和產品管理。

Vairamuthu Ramasamy是賽普拉斯半導體公司可編程系統部門的高級應用工程師，負責基于CapSense（電容式觸摸感應）技術的PSoC產品。他在印度欽奈理工學院獲得電子和通信工程學士學位。

Chethan Gowda是賽普拉斯半導體公司可編程系統部門的應用工程師。他在印度班加羅爾的BMS工程學院獲得電子和通信工程學士學位。