逐項破解設計挑戰　穿戴設備開發抄近路(下)

2017-12-11

Jaya Kathuria、Anbarasu Samiappan

前文第一部分探討了可穿戴設備設計的多項挑戰，其中包括Always-ON應用與功耗影響、模擬前端與感測器整合、電路板或系統基板、基於手勢的時尚用戶界面以及隱私與安全通訊。我們將在第二部分介紹現場升級能力(OTA)、能量採集、連接(BLE、ZigBee、Wi-Fi)等更多的設計挑戰，以及手腕檢測、電容觸控滑塊及按鈕、電容式觸控螢幕、防水設計、段式LCD顯示螢幕驅動器等特殊功能。

無線連結能力

工程師面臨的一大設計挑戰是在常規藍牙、Wi-Fi、ZigBee、藍牙低功耗、近距離無線通訊(NFC)以及眾多專用協議中選擇一個合適的通訊協議。此處的一個關鍵考慮因素是找到一個具備高傳輸速率、低功耗、最小的電路板要求、無縫互通互連、安全通訊而且易於開發的協議。由於協議定義了可穿戴設備能夠傳送什麼內容，因此，合適的連接鏈路對於如何設計可穿戴設備至關重要。讓我們來探討一下與之相關的各種選項和權衡，如表1。

表1 穿戴式無線連結技術比較

編寫自己的專用協議可能極富誘惑力。好處是設計可以根據產品的具體要求實現最佳功耗。但是，當今的設備需要透過一個標準協議與生態系中的其它設備通訊，因此，互通互連是關鍵。這是設計人員選擇標準協議的最大動力之一。此外，採用一個標準通訊協議還能幫助研發人員為可穿戴設備編寫出高能效、高反應速度、易用的更好應用。

Wi-Fi是一個常用的無線標準，因為它提供極高的傳輸速率、中遠程傳輸距離和非常成熟的安全功能。但是，Wi-Fi的功耗高於其它協議，因此，通常不是可穿戴設備的最佳選擇。此外，雖然Wi-Fi較高的傳輸速率對於上網等應用可能是一個巨大優勢，但通常只需傳輸少量數據的可穿戴設備也許並不需要這樣的傳輸頻寬。

另一個常見選擇是ZigBee，它提供低功耗和一個輕型協議棧，而且市場的關注度較高。但是ZigBee還沒有在PC或智慧手機中得到普及。最佳的替代選擇是用於短程交換數據的常規藍牙。常規藍牙是個人網路用傳統協議，常用於將音頻內容傳送至手機耳機。常規藍牙的能效高於Wi-Fi。但是，為了實現極低的功耗，低功耗藍牙(BLE)通常是更好的選擇，因為它是專為需要傳送狀態和控制訊息的短距、低功耗無線應用而設計的。

低功耗藍牙之所以最適合可穿戴設備有幾個原因。對於那些需要間歇或定期傳送少量數據的應用，即符合可穿戴設備數據傳輸要求的應用而言，BLE技術是理想選擇。此外，BLE的主要特性是低功耗，能夠使用一顆鈕扣電池驅動一個小型設備，因此是可穿戴設備的不二選擇。鑑於這些原因，BLE通常是可穿戴設備的最佳選擇。

空中下載(OTA)

消費者希望能夠在所有類型的環境中以多種方式使用可穿戴設備。為了滿足用戶需求，部署在現場的可穿戴設備應能適應新的應用。OTA(Over-the-air)空中下載可讓研發人員對可穿戴設備進行現場編程，而重新設置控制參數，升級軟體以增加新功能，並修復問題。OTA空中下載是一個引導裝載程序機制，使用一個無線連結(如BLE)更新目標設備的韌體。這類似於通過一條UART、I2C或SPI等常規有線網路進行升級。圖1顯示了一個使用一條無線網路的引導裝載程序的架構圖。

圖1 Over-the-Air(OTA)引導裝載程序系統

連接是關鍵。對象或是直接相連，或是通過使用不同技術的其它設備相連。連接意味著OTA升級。假設用戶家中的一系列嵌入式設備需要升級韌體。如果它們不採用OTA策略，用戶就必須使用一條電纜來連接每一個設備，以便更改它們的基本配置。

能量採集

使用有線電源為可穿戴設備供電通常不實用，而應使用電池作為電源。但是，電池也帶來了一些局限性和令人擔憂的問題，其中包括：需要定期充電、續航時間有限和環境處理問題。能量採集技術能讓可穿戴設備為自身供電。能量採集指的是從太陽能(光)、熱能(熱)和/或動能(振動)等能源蒐集能量的過程。從這些能源蒐集的能量被儲存起來，用於為可穿戴設備自身供電。由於能量採集技術提供了一個持續、可靠的能源，設備電池的尺寸可以縮小，而其使用壽命卻能延長。

由於能量採集設備(EHD)為低功耗電子元件提供很少的電能，捕獲和利用所生成的每一焦耳就顯得至關重要。EHD有很多類型，而最佳類型取決於能源來自何處、例如，太陽能模組在EHD最常見，用於從太陽光蒐集能量，這是因為它們隨時可用、易用而且成本低廉。通常而言，一個太陽能模組所生成的電能與模組的尺寸成正比，並隨光線亮度變化。

另一種EHD是熱電發電器(TEG)，它們可以利用熱源生成大電流電能。TEG的局限是：它們必須擁有一個恆定的溫度梯度才能提供有用的電能輸出。

對於振動等動能能量採集技術而言，有兩種常見EHD：壓電式EHD和生成交流電的電磁式。與TEG類似，它們的局限是需要為其提供一個具備恆定、可預測頻率的振動源。

能量採集電源管理IC(PMIC)是能量採集系統(EHS)的一部分，該系統包括EHD和一個儲能設備。能量採集PMIC 從EHD蒐集很少的能量，然後將其轉化為一個穩定、可被儲存在儲能設備(ESD)中的能量輸出。然後，ESD通常包含一個電池、常規電容器或超級電容器，被連接到系統的其餘部分，提供運作負載(如一個可穿戴設備)所需的電能。圖2顯示了一個能量採集系統的架構圖。

圖2 能量採集系統示意圖

特殊功能

考慮到可穿戴設備時常的快速發展和創新，製造商必需推出能夠讓他們的產品鶴立雞群的特殊功能，如手腕檢測、觸控按鈕/滑塊/螢幕和段式LCD顯示螢幕驅動器。這要求他們定義和開發這些功能，找出能夠支持這些功能的其它設備，並讓它們能夠在各種環境條件下可靠運作。

一個能夠實現可穿戴設備使用者界面的可靠系統是不可或缺的。這也是推出創新型特殊功能的領域。由於可穿戴設備的尺寸較小，真的實現這些功能要比其它應用更加複雜。在這些領域，電容式觸控在實現有效的使用者界面方面發揮了重要作用。讓我們了解一些特殊功能以及實施它們所面臨的挑戰。

手腕檢測是一個重要功能，用於檢測可穿戴設備是否被戴在用戶的手腕上，如圖3。該功能可用於提升安全性和降低功耗。其工作模式是：只要用戶沒有戴上它，手腕檢測功能就將觸發可穿戴設備的鎖定機制，以防他人偷窺其中儲存的重要數據。與此類似，當用戶沒有戴上設備時，它將觸發低功耗引擎，將其置於睡眠/深度睡眠模式。以延長電池使用壽命，直到用戶重新開機為止，可以使用一個電容式觸控感測器實現手腕檢測功能。這個位於可穿戴設備之下的感測器將以人體為導體。

圖3 CapSense手腕檢測功能

電容式觸控滑塊是另一種重要的使用者輸入機制，可幫助使用者與可穿戴設備進行交換。雖然可以在可穿戴設備上實現一個微型觸控螢幕，但考慮到可穿戴設備的尺寸，這個螢幕可能很小，而使使用者難以觀看和更改參數或功能選單。如圖4所示，電容式觸控滑塊是一組置於可穿戴設備表面之下的電極。用戶只需輕輕一掃就可以在不同的選單/螢幕之間滑動。相同的滑塊電極或一個單獨的電容感測器可被用作點電容式觸控按鈕，用於選擇選單項和輸入數據。