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年後變為現實。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）為工程師帶來一係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複雜的傳感、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。下麵讓我們一起來討論對於可穿戴設備
、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複雜功能
、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麵臨的挑戰，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、微控製器（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。考慮到電池電量將會快速耗盡
，大多數WWD並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、節省電路板麵積並且降低了功耗，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是一項複雜的決策過程，因為對於功能豐富的設備的高功能性將受到電池操作壽命的限製。如果我們僅僅關注WMCU的峰值功耗，那麼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），並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為其基於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係統的整體功耗。然而，能夠識別這些模式以及數據手冊中的規格數據並不能確保“在各種模式下都獲得低功耗”，或者簡單的說
，不能確保“節能”。確保節能並發展良好的終端客戶體驗是構建WMCU可運行於這些不同模式的方法。事實上，依賴於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（外設反射係統）

 

·低能耗傳感器接口（LESENSE）

 

·豐富的高能效外設和接口

 

·RF集成

 

 

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：jinkenengkuaideshoujihechulishuju，ranhoujinkenengkuaidefanhuidaoxiumianmoshi。quebaozaixiumianmoshihehuodongmoshizhijiankuaisuzhuanhuanshiyixiangbixuyaokaolvdaodeguanjianyaosu。yigechuliqizaihuodongmoshisuohuafeideshijianjishijinbilingyigechuliqiduochu10%，那麼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，那麼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小時中分別處於活動模式100ms和110ms

，那麼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，第二個處理器隻比第一個多消耗0.44％的電量。然而，如果處於活動模式的時間相同，並且把深度休眠電流從1 μA增加到1.1 μA，那麼電流消耗將上升9.6%！

 

 

取決於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係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控製器）和安全（例如AES加速器）。

 

 

也ye有you一yi些xie情qing況kuang，外wai設she之zhi間jian可ke能neng需xu要yao進jin行xing通tong信xin。在zai這zhe些xie情qing況kuang下xia
，一yi個ge外wai設she需xu要yao能neng夠gou產chan生sheng一yi個ge或huo者zhe多duo個ge能neng夠gou立li刻ke被bei另ling一yi個ge片pian上shang外wai設she所suo感gan應ying到dao的de事shi件jian。例li如ru
，一yi個ge定ding時shi器qi能neng夠gou被bei設she定ding創chuang建jian一yi個ge事shi件jian，然ran後hou觸chu發fa一yi個geADC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係統功耗。這種能力是Silicon Labs EFM32 MCU架構的一個關鍵特性，被稱為外設反射係統（Peripheral Reflex System）。

 

 

最終當CPU需要被喚醒以執行特定任務時，大多數MCU被(bei)設(she)置(zhi)為(wei)在(zai)一(yi)係(xi)列(lie)特(te)定(ding)時(shi)刻(ke)上(shang)喚(huan)醒(xing)
，並(bing)監(jian)視(shi)它(ta)的(de)接(jie)口(kou)
，如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)動(dong)作(zuo)需(xu)要(yao)，它(ta)將(jiang)返(fan)回(hui)到(dao)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)。這(zhe)些(xie)定(ding)期(qi)喚(huan)醒(xing)循(xun)環(huan)產(chan)生(sheng)了(le)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)電(dian)池(chi)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)。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係統喚醒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。

 

 

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de各ge個ge運yun行xing方fang麵mian。雖sui然ran我wo們men已yi經jing討tao論lun了le外wai設she的de自zi主zhu操cao作zuo，但dan我wo們men還hai需xu要yao進jin一yi步bu討tao論lun外wai設she本ben身shen的de低di功gong耗hao需xu求qiu。如ru果guo外wai設she本ben身shen功gong耗hao極ji大da或huo者zhe如ru果guo時shi鍾zhong在zai非fei必bi要yao情qing況kuang下xia使shi能neng，那na麼me自zi主zhu操cao作zuo起qi到dao的de作zuo用yong也ye會hui非fei常chang小xiao。

 

就外設本身而言
，時鍾管理單元對於MCU或者WMCUzhengtigonghaoqizhezhongyaozuoyong。shizhongguanlidanyuankeyiduiduozhongshizhonghezhendangqijinxingdandukongzhi，bingqiejiyucaozuosuocaiyongdegonghaomoshiheshinengdewaishejinxingzuiyouhuashizhongxuanze。shiyongdinenghaozhendangqijiehelinghuodeshizhongkongzhifangan，nenggoujinkenengdezuixiaohuayingyongzhongdegonghao。gaonengxiaodeshizhongguanlidanyuanbaokuodidianliuzhendangqi、低啟動時間、動態係統時鍾分頻、時鍾門控、以及用於32kHz外設模塊和時鍾預分頻器。

 

低能耗自治UART的有效性對於獲得超低係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都處於關閉狀態。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幹預。通過使用32.768 kHz時鍾源
，低能耗的UART可支持高達9600 baud/s，並且當完成UART幀接收後，可以快速喚醒CPU。

 

當dang設she備bei的de大da部bu分fen部bu件jian處chu於yu斷duan電dian狀zhuang態tai時shi，低di能neng耗hao定ding時shi器qi能neng夠gou被bei用yong於yu定ding時shi和he輸shu出chu，因yin此ci允yun許xu在zai執zhi行xing簡jian單dan任ren務wu的de同tong時shi保bao持chi係xi統tong功gong耗hao絕jue對dui最zui小xiao值zhi。如ru果guo適shi當dang配pei置zhi，這zhe種zhong定ding時shi器qi能neng夠gou提ti供gong高gao達da16kHz頻率（32kHz振蕩器頻率的一半）的無差錯波形。

 

對於MCU或者WMCU中的模擬資源
，例如ADC、DAC、LCD控製器

、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350 μA
，但是並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控製器應當能夠在沒有任何CPU幹預下運行定製動畫，並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
，並且應當包括支持自治密碼模式的DMA以最小化電池消耗。

 

 

以上的討論內容主要集中在MCU架jia構gou之zhi內nei。然ran而er
，其qi他ta與yu無wu線xian收shou發fa器qi相xiang關guan的de特te性xing也ye應ying當dang關guan注zhu。基ji於yu應ying用yong需xu求qiu
，無wu線xian可ke穿chuan戴dai設she備bei可ke能neng從cong不bu需xu要yao接jie收shou信xin息xi，但dan是shi多duo數shu設she備bei需xu要yao在zai一yi些xie時shi候hou發fa射she數shu據ju。電dian池chi供gong電dian設she備bei的de低di功gong效xiao放fang大da器qi會hui顯xian著zhu增zeng加jia係xi統tong功gong耗hao，並bing且qie使shi應ying用yong增zeng加jia電dian池chi尺chi寸cun和he成cheng本ben以yi滿man足zu係xi統tong運yun行xing壽shou命ming的de需xu要yao。例li如ru，長chang距ju離li通tong信xin設she備bei可ke能neng需xu要yaoRF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(shi)普(pu)遍(bian)存(cun)在(zai)的(de)，但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)更(geng)大(da)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，那(na)麼(me)就(jiu)需(xu)要(yao)片(pian)外(wai)的(de)三(san)極(ji)管(guan)或(huo)者(zhe)放(fang)大(da)器(qi)。問(wen)題(ti)是(shi)對(dui)於(yu)創(chuang)建(jian)低(di)成(cheng)本(ben)且(qie)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)來(lai)說(shuo)
，這(zhe)些(xie)片(pian)外(wai)助(zhu)推(tui)器(qi)是(shi)無(wu)益(yi)的(de)，因(yin)為(wei)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)既(ji)要(yao)滿(man)足(zu)高(gao)效(xiao)又(you)要(yao)低(di)成(cheng)本(ben)。因(yin)此(ci)
，在(zai)要(yao)求(qiu)長(chang)距(ju)離(li)和(he)/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。克服這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。歸功於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操作得以完全控製
，確保獲得最低功耗。

 

許多應用運行於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輸入輸出來簡化係統設計。Sub-GHz應用傾向於覆蓋非常寬的頻率範圍，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
，並且由於對於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(zui)後(hou)
，我(wo)們(men)在(zai)無(wu)線(xian)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)中(zhong)還(hai)沒(mei)有(you)討(tao)論(lun)的(de)是(shi)天(tian)線(xian)發(fa)射(she)和(he)接(jie)收(shou)特(te)性(xing)。由(you)於(yu)尺(chi)寸(cun)和(he)成(cheng)本(ben)限(xian)製(zhi)
，大(da)多(duo)數(shu)無(wu)線(xian)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)的(de)天(tian)線(xian)發(fa)射(she)特(te)性(xing)一(yi)般(ban)都(dou)較(jiao)差(cha)
，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)通(tong)常(chang)簡(jian)單(dan)的(de)把(ba)天(tian)線(xian)打(da)印(yin)在(zai)PCB板麵材料上（像FR4）。為了補償天線損耗或低增益
，最簡單方法是增加RFshuchugonglvlaihuodeqiwangdeshuchugonglv。buxingdeshi
，ruqianmiansuotaolunde
，zhegefasheqijiangbinaxietianxianyijingbeiyouhuaguodefasheqixiaohaogengdadenengliang。genghaodeshejihegengdidepipeidianlusunhaojiangshizuiyouhuacaozuodebaozheng，danshitianxianshejijuyoujidadeshejinandu
，tebieshidangkaolvdaokechuandaishebeisuochubuduanbianhuadeRF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(fa)射(she)器(qi)，有(you)集(ji)成(cheng)的(de)天(tian)線(xian)調(tiao)諧(xie)電(dian)路(lu)，能(neng)夠(gou)在(zai)這(zhe)些(xie)時(shi)候(hou)動(dong)態(tai)的(de)補(bu)償(chang)天(tian)線(xian)。這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)起(qi)著(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)，不(bu)僅(jin)控(kong)製(zhi)功(gong)耗(hao)，而(er)且(qie)也(ye)確(que)保(bao)無(wu)線(xian)電(dian)輻(fu)射(she)保(bao)持(chi)在(zai)法(fa)規(gui)限(xian)定(ding)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。

 

yizhongbuchangjiaochatianxianjieshouxingnengdefangfashibaxitongshejichengtianxianfenjijieshou
，jicaiyongduotianxian。suiranxuduoyingyongjiangcongshishitianxianfenjizhonghuoyi

，danyeyouyixieyinsuxuyaokaolv。shouxian，tianxianfenjiqingxiangyubangzhunaxiezaifasheduanhejieshouduanzhijiandejulishangyouruciqingkuangde：接收到的信號水平接近背景噪聲水平（即接近鏈路覆蓋範圍的邊沿），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tong常chang僅jin集ji成cheng一yi條tiao接jie收shou路lu徑jing，因yin此ci天tian線xian分fen集ji必bi須xu通tong過guo一yi個ge片pian外wai天tian線xian開kai關guan進jin行xing切qie換huan
，以yi便bian在zai兩liang個ge天tian線xian之zhi間jian交jiao替ti選xuan擇ze。然ran而er
，由you兩liang個ge天tian線xian共gong享xiang一yi條tiao接jie收shou路lu徑jing的de方fang案an可ke能neng比bi人ren們men預yu期qi消xiao耗hao更geng多duo的de功gong耗hao。因yin為wei在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，發fa射she的de前qian導dao符fu長chang度du必bi須xu被bei擴kuo展zhan，以yi便bian為wei兩liang個ge天tian線xian按an順shun序xu進jin行xing評ping估gu提ti供gong足zu夠gou的de時shi間jian。為wei分fen析xi和he選xuan擇ze最zui佳jia天tian線xian，也ye增zeng加jia了le計ji算suan成cheng本ben和he電dian流liu消xiao耗hao。

 

最後，還有一個間距問題。在無線通信係統中天線之間的距離被推薦為波長（??）的整數倍或分數倍
，最小間距是???。在2.4GHz
，波長為125mm

，依據最小間距???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，對於工作在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複雜性和尺寸、計(ji)算(suan)成(cheng)本(ben)和(he)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)權(quan)衡(heng)。假(jia)設(she)天(tian)線(xian)分(fen)集(ji)不(bu)是(shi)問(wen)題(ti)，增(zeng)加(jia)的(de)計(ji)算(suan)成(cheng)本(ben)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)功(gong)耗(hao)能(neng)被(bei)克(ke)服(fu)。那(na)麼(me)

，在(zai)變(bian)化(hua)的(de)和(he)非(fei)同(tong)步(bu)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)，定(ding)期(qi)的(de)在(zai)天(tian)線(xian)間(jian)進(jin)行(xing)切(qie)換(huan)也(ye)是(shi)需(xu)要(yao)的(de)，因(yin)為(wei)無(wu)線(xian)電(dian)在(zai)信(xin)息(xi)包(bao)到(dao)達(da)前(qian)不(bu)知(zhi)道(dao)哪(na)個(ge)天(tian)線(xian)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)更(geng)好(hao)的(de)接(jie)收(shou)效(xiao)果(guo)。Silicon Labs的EZRadioPRO收發器擁有集成的前導符質量檢測器以基於RSSI值來決定信號質量，並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。

 

 

如果今天Chester Gould依舊健在
，那麼他肯定印象深刻，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ju有you無wu線xian電dian話hua功gong能neng的de腕wan表biao設she備bei，並bing且qie正zheng在zai開kai發fa各ge類lei更geng先xian進jin的de可ke穿chuan戴dai設she備bei。然ran而er，當dang設she計ji人ren員yuan試shi圖tu集ji成cheng更geng多duo特te性xing和he功gong能neng到dao無wu線xian可ke穿chuan戴dai設she備bei時shi，底di層ceng的de關guan注zhu點dian幾ji乎hu總zong是shi相xiang同tong的de——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”。