作者/ 王瑩 王金旺 《電子產品世界》編輯

摘要：本專題邀請業內權威人士介紹了智能可穿戴的技術動態及發展趨勢。

MCU與傳感器

可穿戴設備MCU的發展趨勢

　　隨著消費者生活水平的提高，大家對健康越來越重視。健康類的智能可穿戴產品正在慢慢成為消費需求的增長點，其中包括健康監測類和運動協助類。健康監測類包括心率、血糖、血樣、最大攝氧量等。運動協助類包括對各種運動的監測，簡單如跑步、騎行、游泳等，更復雜的有高爾夫等球類運動的協助。目前市場上此類可穿戴產品功能還相對比較單一。隨著技術的發展，功能更全、更復雜的產品一定會成為消費者高度關注的需求。

　　在這些智能可穿戴產品中，MCU和傳感器是兩大類核心器件。傳感器包含各種運動傳感器、位置傳感器、生物傳感器和環境傳感器等，其發展趨勢包括低功耗、高集成度、小體積、高精度等。MCU則包括廣泛的性能和集成度等不同類型的微控制器產品，從低端的8/16位MCU到32/64位高性能ARM處理器，其發展趨勢主要是低功耗、高集成度、無線連接、小封裝等。MCU的運算能力對可穿戴設備的智能實現非常關鍵。當然可穿戴設備還需要先進的供電系統，包括電池或者太陽能供電系統等。

　　Cypress具有豐富的產品線支持智能可穿戴設備，包括PSoC微控制器、低功耗存儲器、BT/BLE/WiFi無線連接產品和能量收集方案等。其中PSoC微控制器是一個非常有競爭力的MCU系列，包括基于Cortex-M0+的PSoC 4系列和基于Cortex-M4/M0+雙核的專為可穿戴設備及物聯網打造的PSoC 6系列。

未來可穿戴仍會保持高速增長

　　目前ROHM在市場上推廣的可穿戴產品終端主要還是以智能手表和運動手環為主，另外也有一些以它們為參考而設計的衍生類產品，例如心跳監測手環等。這些產品中的核心元器件主要是在這個過程中負責采集數據的傳感器、負責控制的MCU以及負責傳輸數據的無線通信模塊這三塊，ROHM在這三塊都有相應的產品及解決方案，可最大程度提供與客戶需求高匹配度的解決方案。

　　由此可見，可穿戴設備和傳感器技術密切相關，傳感器在穿戴設備中扮演著重要角色。隨著穿戴設備靈活輕便的發展趨勢，可穿戴應用中傳感器的整體發展也更趨向于智能化、小型化、低功耗及低成本化。據市場調查，未來幾年可穿戴仍會保持較高的市場增長率，相應搭載在穿戴設備上的傳感器仍會存在很大發展空間。ROHM則會順應這一趨勢，憑借多年來積累的技術經驗，從芯片的生產、LSI設計到封裝，本著高精度、低功耗、小型化等原則致力于傳感器產品的研發，并提供使人們生活更加便利、舒適、安全的整體傳感器解決方案。

　　ROHM在穿戴市場上推廣的一些主要的傳感器類產品包括用于運動檢測的加速度傳感器、檢測高度及計算卡路里的氣壓傳感器、用作電子羅盤的地磁傳感器及高精度脈搏傳感器。

FPGA滿足可穿戴設備高級并行處理能力的需求

　　現有的可穿戴設備大部分都是智能手表或健康手環。這些應用本質上并不“智能”，而是對智能手機的擴展，用于輕松訪問副屏和/或進行低速和低功耗生理體征測量，如計步器和心率測量器等。隨著語音、AR和AI技術的發展，我們將會看到更多更加智能的可穿戴設備，涵蓋語音控制的智能耳機到可以進行空間、手勢和目標識別的AR眼鏡。這些全新的應用，特別是涉及到空間測量(例如音頻波束形成或AR手勢檢測)時，需要實時工作的低功耗傳感器中心來同時捕捉和處理來自傳感器陣列的數據。與其他應用處理器、MCU和DSP相比，萊迪思FPGA能夠提供靈活的I/O和更高的能耗比，可為智能可穿戴產品實現實時處理解決方案。

　　與傳感器相關的可穿戴應用有兩種不同但互相依附且不斷發展的趨勢：1)多個傳感器的并行連接以及數據捕獲，如麥克風陣列、多攝像頭應用、多IMU應用，這是傳感器聚合應用的高級形式;2)環境感知應用對于實時工作傳感器處理的需求不斷增長。

　　使用多個傳感器，系統可以實現更高的精度或獲取更多細節，如3D深度測繪、回聲和噪聲消除以及流體運動跟蹤等。然而，由于大多數MCU和處理器I/O數量有限并且無法捕獲和實現實時并行處理，因此不適用于實現上述功能。而FPGA則能夠提供更多I/O和獨立的傳感器接口，更適合上述需要高級并行處理能力的應用。對于基于視覺的應用，如VR和AR的內向外跟蹤或虹膜跟蹤，萊迪思的MachXO3和CrossLink可編程ASSP(pASSP)可用于執行多攝像頭聚合;如果對于深度測繪等自主計算有需求的話，可以使用具有更強處理能力的ECP5。萊迪思的iCE40移動FPGA產品系列經過優化，可提供功耗更低、尺寸更小和成本更低的特性。萊迪思最近推出的iCE40 UltraPlus增加了I3C支持，可實現低功耗、實時攝像頭連接以及低延遲的預處理應用。

可穿戴兩大發展方向——健康保健及智能化

　　可穿戴產品種類眾多，但是從市場的成熟度和規模角度來看，智能手表和手環類仍為主流產品形態。例如，小米手環就是整個行業的代表，以及前不久華米推出的Amazfit米動健康手環都是具有行業開創和引領效應的產品。

　　可穿戴產品的兩個趨勢或者特點將成為驅動產品和行業發展的推動力：一是健康保健功能不斷豐富和完善，包括運動監測，體征信號檢測，甚至環境相關的監測等;二是智能化，作為人工智能重要接入，甚至是人工智能的最終用戶的直接硬件設備，通過大數據的融合處理實現智能化的深度信息挖掘，進而解決用戶痛點，提高使用體驗。例如以上提到的兩種產品都可以印證這些特點。例如華米的米動健康手環，可以監測心臟健康狀況，還實現了心電ID識別，從基本的測量原理角度分析，自然要用到心電(ECG)采集相關的核心專用元器件;同時連續運動心率的監測會用到光電法心率測量的相關傳感器和電路等核心原器件。

　　ADI的系列低功耗、單導聯、心率監護儀模擬前端 (AFE) AD8232以及最新的AD8233專為滿足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監控設備和遠程健康監護設備的ECG信號調理要求而設計。與當前很多集成解決方案中采用的拓撲結構不同，AD8233高度靈活的模擬濾波配置采用雙極高通濾波器，結合芯片內部的儀表放大器架構和無使用約束運算(增益)放大器，支持用戶采用多極低通濾波技術來消除線路噪聲和其他干擾，并可提供在關斷模式下的導聯脫落監測功能。另外一款高集成度的ADAS1000完全可以用于類似的應用場合。

可穿戴設備對數據安全要求更高

　　現如今，用于生命體征 (vital singal) 監測的可穿戴設備正在快速發展。包括智能手表在內的腕戴式健身和健康設備越來越受歡迎，這些設備不僅具有步進跟蹤功能，而且提供相關的健身/健康指標，包括受力分析參數以及基礎心率和心率變異分析等功能。

　　Maxim的新型健康傳感平臺 (hSensor平臺) 是一套支持ARM? mbed? 開發環境的超小尺寸解決方案，支持快速、簡便地設計可穿戴健康和健身應用，可節省多達六個月的設計時間。該平臺作為MAXREFDES100# 參考設計提供，允許設計者加載適用不同用例的算法以及配置特定應用。hSensor平臺可用于健康、保健及高端健身應用的完整開發平臺，并支持如胸帶、心電圖計、腕戴式設備、體溫計、一次性溫度計、血氧測量、智能稱重儀以及生物識別等各種應用場景。

　　另外，行業的總體趨勢是對于產品的數據安全有了更高的需求。在設計早期就考慮安全性的實現方式，并集成到產品中是至關重要的。為有效地保證安全性，必須從傳感器到云端的多個層面對設計進行部署。

　　Maxim 一直致力于其DeepCover?安全微控制器系列的研發。結合了先進的加密技術和物理安全，從而提供高級別的物理篡改和反向工程保護。

TDK對可穿戴設備靜電防護的考慮

　　近年來，隨著芯片技術和傳感器技術的不斷發展，各類智能可穿戴設備也不斷涌現。可穿戴設備頻繁地和人體接觸，因而在設計時需要充分考慮靜電防護，以保證產品性能和長期使用的可靠性。

　　TDK的愛普科斯CeraDiodes?多層壓敏電阻在各類智能可穿戴設備和移動支付相關的應用中，為NFC(近場通訊)系統提供卓越的靜電(ESD)解決方案，保護NFC系統的天線和NFC芯片免受EMI/ESD影響。CeraDiodes?采用的新型微核技術使得SMD或嵌入式解決方案靜電防護性能高達30KV，并且可實現0402，0201及更小的封裝尺寸。該微核材料經系統測試，其單位有效體積的靜電抗干擾性達到業內頂尖水平，響應時間極快，且鉗位電壓也極為可靠。并且， CeraDiodes?具有卓越的長期穩定性、高溫性能以及高數據傳輸率。

低功耗、傳輸

待機時間是可穿戴設備的重要指標

　　可穿戴產品范圍較廣，從手表、手環可以延伸到服飾、眼鏡。如果以腕上設備來看，小米手環2取得了非常不俗的成績，在剛剛過去的一個季度是可穿戴設備全球銷量最大的時期，其超長的待機時間和超高性價比受到了市場的青睞。除了手環以外，帶GPS的運動手表也有不俗的市場表現。

　　可穿戴設備的待機時間是衡量其性能的一個重要指標。在未來的一段時間里仍將如此。單芯片藍牙和MCU解決方案應該繼續優化系統功耗。除此之外，MEMS傳感器和光學心率計的功耗也應繼續降低。

　　除了待機時間外，可穿戴設備也需要更豐富的功能支撐，例如無線支付，更精確的運動識別(例如識別打網球和做俯臥撐)。隨著傳感器和算法的進一步發展，未來的可穿戴設備也會承載更多的健康功能，例如血壓監控。

　　Dialog在過去的一兩年內陸續推出了單芯片可穿戴解決方案DA1468x，以及藍牙5芯片DA14585/6。這兩款芯片目前已經被廣泛應用在各種可穿戴產品中。我們也在積極開發下一代芯片，在產品性能上會有內存更大，處理能力更強，功耗更低等新的突破。

可穿戴設備為醫療市場帶來商機

　　醫療市場有著充分利用最新可穿戴技術而真正發展起來的商機。例如，簡稱為“mHealth”的移動醫療設備能以可靠的和不顯眼的設備監測生命體征和藥物輸送，然后通過互聯網與醫療專業人員交流信息，可緩解患者前往醫院進行例行檢查的需求，并讓他們在家中獲得實時高效的醫護。低成本、可自由支配、可穿戴的醫療技術，如采用濕度感測的敷料，也代表了創新的醫療保健方法，有利于促進病人的健康，為他們帶來舒適和方便。

　　傳感和測量、信號處理、超低功耗、備用電源和通信有助于可穿戴式醫療設計提供遠程監控和護理所需的核心元器件能力。與心率和糖尿病(葡萄糖監測)有關的數據監測是像安森美半導體這樣的公司可提供高度集成的系統單芯片器件的領域，這些器件含支持一個完整的方案所需的許多功能塊。考慮到所有類型的可穿戴設備都由電池供電，所以低功耗是個重要的因素。在某些情況下，由于各種條件所限，方案可能需要無電池，而采用能量收集。