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無線可穿戴産品致勝設計六大策略

2019.07.16 來源: 浏覽:11次

無線可穿戴産品致勝設計六大策略

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。

在可穿戴産品設計中,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,因爲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)、无线电和傳感器。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。

爲應用選擇合適的WMCU是一項複雜的決策過程,因爲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,那麽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。

當爲應用選擇最佳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)

●微处理器内核的选择,包括8位和32位ARM Cortex(从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,然後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%,那麽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(1A),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

無線可穿戴産品致勝設計六大策略

,0.11%的時間在活動模式,那麽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,那麽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,並且把深度休眠電流從1A增加到1.1A,那麽電流消耗將上升9.6%!

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