從智能手表到便攜式健康和健身追蹤器，可穿戴設(shè)備正在日益改變著我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?0世紀(jì)80年代的臺式電腦革命為信息時代帶來了空前的個人生產(chǎn)力大爆發(fā)。20世紀(jì)90年代便攜式計算機的出現(xiàn)，與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展相一致，把我們從電源線和網(wǎng)線的束縛中解放出來。然后蜂窩電話和智能手機的爆炸式增長又為我們帶來了前所未有的移動性和無線連接能力。當(dāng)今的“腕上革命”，連同物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的異軍突起，正在把“移動”推向一個全新的高度：可穿戴計算。

腕上革命正在重寫便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計歷史。在本文中，我們將重點研究隱藏在用戶-體驗-驅(qū)動(user-experience-driven)設(shè)計方法背后的設(shè)計思想。通過應(yīng)用這些設(shè)計思想，多種成功的可穿戴產(chǎn)品已經(jīng)面市。我們也將討論影響可穿戴產(chǎn)品能耗預(yù)算和計算需求的特性和功能，包括如何選擇適合產(chǎn)品設(shè)計需求的微控制器(MCU)。

腕上革命的現(xiàn)狀

智能手表、活動追蹤器、可穿戴GPS設(shè)備、心率監(jiān)視器和智能眼鏡是可穿戴產(chǎn)品的主要應(yīng)用形態(tài)，根據(jù)Futuresource Consulting的統(tǒng)計，2013年可穿戴設(shè)備全球銷售額約為80億美元。通過創(chuàng)新性的融合了成熟完善的功能性、簡單易用的連接性、緊湊的外形尺寸、超低功耗處理和無線連接性，可穿戴設(shè)備正在成為全新的個人電子設(shè)備類別，幫助我們變得更加健康，獲得更多的信息和更好的裝備。

幾年前，雖然一些領(lǐng)先的智能手機制造商已經(jīng)開始試驗性推出基于他們現(xiàn)有手機產(chǎn)品的腕上產(chǎn)品，但是它們相當(dāng)笨重。直到2012年初，當(dāng)新型公司(例如Pebble Smartwatch)繞過智能手機制造商而推出全新的輕量級腕上設(shè)備時，腕上革命才真正開始快速發(fā)展。這些產(chǎn)品使得最終用戶可以更充分的利用他們已有的智能手機。Garmin、Samsung、Sony、Fitbit、Magellan(見圖1)和其他消費類電子設(shè)備制造商也已經(jīng)推出他們自己的智能手表、活動追蹤器和其他可穿戴產(chǎn)品，從而成為腕上革命的有力競爭者。

圖1：在單塊CR2032紐扣電池供電條件下，Magellan Echo智能運動腕表利用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU實現(xiàn)電池壽命擴展到11個月

這種充分競爭的市場環(huán)境也鼓勵小型化的靈敏型初創(chuàng)公司推出特色創(chuàng)新產(chǎn)品，例如Misfit Shine健身追蹤器(如圖2所示)正在不斷搶占競爭對手的市場份額。

圖2：Misfit Shine是一款設(shè)計優(yōu)雅的健身追蹤器，它通過采用EFM32 Gecko MCU實現(xiàn)卓越的能效和很長的電池壽命

一個成功的可穿戴設(shè)備必須提供合適的價格、性能、功能和電池壽命，以及獨特的外觀、觸感和作用，以便從競爭對手產(chǎn)品中脫穎而出。MCU、傳感器、無線電子器件和極具吸引力的用戶接口，這些都必須被裝進一個小尺寸封裝中，從而可以舒適的佩戴在一個人的手腕或者其他地方。由于這種外形尺寸極大限制了留給供電的電池所占空間，因此可穿戴系統(tǒng)必須是非常節(jié)能的，以便盡可能使電池更換和充電的時間間隔維持最長的運行周期。

用戶體驗驅(qū)動制勝設(shè)計

要把這些不同元素融入到獲得市場認(rèn)可的產(chǎn)品中，需要一個復(fù)雜的設(shè)計去有所取舍的平衡功耗、性能、功能和外形尺寸等參數(shù)。通過采用所謂的“用戶體驗驅(qū)動”設(shè)計方法，一些制造商已經(jīng)成功的度過難關(guān)，進入到這個不太熟悉的領(lǐng)域。盡管這些設(shè)計方法顛覆了許多嵌入式開發(fā)人員的傳統(tǒng)思維和實踐方法。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程通常開始于功能和性能定義，這將作為項目的頂級驅(qū)動力。相反，設(shè)計一個可穿戴產(chǎn)品通常開始于需要獲得的最終“用戶體驗”定義。這些產(chǎn)品需求的定義體現(xiàn)在外觀、觸感和與最終用戶的交互，也包括它帶來的印象、感覺和情緒。設(shè)計過程的下一個步驟是把用戶體驗轉(zhuǎn)化成“用例(use case)”——用于定義產(chǎn)品硬件和軟件單元的一系列頂級功能需求。

Apple是這種戰(zhàn)略的早期實踐者之一。他們使用這種戰(zhàn)略成功的定義了全新市場，并且一直處于領(lǐng)先地位。如果你對于精心設(shè)計用戶體驗的重要性還心存懷疑，仔細(xì)考慮一下Apple iPod獨特的控制滾輪、寶石般的機殼設(shè)計和易于使用的iTunes軟件是如何幫助公司轉(zhuǎn)變并且最終主宰了整個數(shù)字音樂播放器市場。

定義用戶體驗

定義可穿戴產(chǎn)品的用戶體驗需求可以歸為以下兩類：

●功能性——區(qū)別其他可穿戴產(chǎn)品的獨特外觀、觸感、特性和功能。

●易用性——輕松設(shè)置、直觀操作和減小維護的一系列需求。長電池使用壽命在易用性中具有非常重要的作用，因為如果一個可穿戴設(shè)備每幾天就不得不重新充電，那將是一件令人沮喪的事情，并且容易導(dǎo)致用戶放棄該產(chǎn)品。

同時，定義用戶體驗的這些元素能夠容易的轉(zhuǎn)換成用例，從而構(gòu)成產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)。根據(jù)應(yīng)用的不同，定義用戶體驗可能涉及到構(gòu)造一個可穿戴產(chǎn)品實體，使之具有極具吸引力的質(zhì)感、符合人體工程學(xué)的外形和傳達(dá)特定感覺的設(shè)計元素。其他產(chǎn)品可能需要為控制和顯示創(chuàng)建特別的視覺模型，使復(fù)雜的操作變得簡單和直觀。

定義用例

一旦產(chǎn)品的用戶體驗得到明確定義，它必須被轉(zhuǎn)換成一個用例，用例的功能性需求將驅(qū)動可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計。詳細(xì)的用例能夠提供重要信息，使得它能夠更容易的為可穿戴產(chǎn)品設(shè)計的各個方面進行準(zhǔn)確的比較研究。

用例應(yīng)當(dāng)包含可穿戴設(shè)備預(yù)計要執(zhí)行的任務(wù)、需要的資源和執(zhí)行的環(huán)境。這些細(xì)節(jié)通常包括設(shè)備要收集的數(shù)據(jù)類型，如何與用戶或其他設(shè)備交互，預(yù)期的運行環(huán)境(溫度、耐水性、耐沖擊性等)，操作模式(數(shù)據(jù)收集和分析、用戶交互、通信等)，以及與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)同步的頻率。

有了這些指導(dǎo)方針，設(shè)計團隊就可以開始確定滿足應(yīng)用需求的傳感、計算和通信組件。同時，物料清單(BOM)成本和功耗預(yù)算也可以與初步設(shè)計需求同時進行，為團隊提供必需的參數(shù)以便集中匯總成最佳設(shè)計方案。

用例輔助進行能源管理

因為電池的使用壽命在可穿戴設(shè)計中起著如此重要的角色，因此這里我們有必要仔細(xì)分析一下用例驅(qū)動設(shè)計過程中與能源管理相關(guān)的部分。

為了準(zhǔn)確的模擬設(shè)計選擇如何影響可穿戴設(shè)備的電池壽命，用例應(yīng)當(dāng)包括影響能耗因素的詳細(xì)描述，例如：

●備必須從外部環(huán)境收集的數(shù)據(jù)類型和頻率。

●用戶是否通過App、觸摸屏、按鍵或以上兩者與設(shè)備交互。如果是，那么通信的信息類型和使用的頻率如何。

●設(shè)備如何同其他可穿戴設(shè)備、智能手機、本地網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)進行通信。電源需求的變化依賴于所采用的無線接口(例如Bluetooth、Wi-Fi或ZigBee)，這是如何實現(xiàn)的。

●設(shè)備與他的同類或主機系統(tǒng)進行同步或交換數(shù)據(jù)的頻率如何。(與諸如智能手機的主機系統(tǒng)頻繁同步將顯著降低電池壽命。)

一旦信息收集完畢，用例應(yīng)當(dāng)提供系統(tǒng)各種操作模式的詳細(xì)描述和每種模式下的運行時間。這將成為系統(tǒng)能耗預(yù)算和為最大化電池壽命而進行任何設(shè)計折中的基礎(chǔ)。

用例輔助進行MCU選擇和優(yōu)化

用例與能耗相關(guān)的部分應(yīng)當(dāng)盡可能多的包括可穿戴設(shè)備執(zhí)行傳感、控制和計算任務(wù)的有關(guān)信息，也包括哪些任務(wù)由MCU執(zhí)行，哪些任務(wù)由外設(shè)執(zhí)行。這將有助于選擇最適合可穿戴應(yīng)用需求和開發(fā)策略的MCU產(chǎn)品，充分利用MCU能源友好的特性。

通過識別必須執(zhí)行的軟件功能和邏輯算法，以及它們發(fā)生的頻率，你能夠構(gòu)建出恰當(dāng)?shù)某跏脊浪慊蛘呖纱┐鲬?yīng)用的計算需求。假設(shè)有一個健身監(jiān)視器，它的MCU通過一個多軸加速計感應(yīng)用戶的身體活動，使用一個IR接近傳感器監(jiān)視脈搏，使用其他傳感器檢測溫度、濕度、血氧等級，甚至紫外線(UV)強度(見圖3)。然后MCU必須在確定真實步數(shù)和頻率之前過濾掉摻雜在原始傳感器數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，或者結(jié)合心率數(shù)據(jù)以區(qū)別是特定活動類型還是其他生物特征輸入。

圖3：健康和健身追蹤器以及其他可穿戴設(shè)備包含各類傳感器，以測量身體活動和其他生物特征，例如UV照射強度

在用于現(xiàn)代MCU的幾個優(yōu)秀的32位處理器架構(gòu)之中，ARM Cortex系列32位RISC CPU已經(jīng)成為嵌入式設(shè)計中領(lǐng)先的處理器內(nèi)核，這主要歸功于它高效的架構(gòu)、易于擴展的指令集、大量開發(fā)工具和代碼庫。在過去的幾年中，ARM已經(jīng)創(chuàng)建了幾個系列的Cortex CPU，每一種都針對特殊的需求而優(yōu)化。ARM Cortex-M系列處理器內(nèi)核是特別針對嵌入式MCU而開發(fā)的，在這些應(yīng)用中性能需求必須與能耗和低成本解決方案相適應(yīng)。Cortex-M系列提供內(nèi)核選項，滿足各種可穿戴設(shè)備屬性需求，包括價格、電池壽命、處理要求和顯示類型等(見表1)。

表1：設(shè)計旨在滿足多樣性設(shè)計需求的ARM Cortex-M系列

在Cortex-M系列內(nèi)，M3和M0+內(nèi)核針對成本敏感的應(yīng)用而設(shè)計，并且滿足這些應(yīng)用同時所需的高性能計算、外界事件快速系統(tǒng)響應(yīng)、以及低動態(tài)和靜態(tài)功耗。更復(fù)雜和功能強大的M4內(nèi)核能夠快速完成生物監(jiān)視應(yīng)用中常見的計算密集型算法。它的增強指令集包括功能強大的數(shù)字信號處理(DSP)功能庫。M4內(nèi)核的單精度浮點數(shù)處理單元(FPU)能夠顯著的縮短運行時間、減少MCU處于活動狀態(tài)的時間，從而最大限度的降低整體能源消耗。

深度睡眠延長電池壽命

為了降低可穿戴平臺能耗預(yù)算中MCU的影響，重要的是要將“需要把MCU從低功耗休眠模式中喚醒的任何任務(wù)的執(zhí)行頻率和時間”最小化。因此用例應(yīng)該包括MCU上各種任務(wù)的預(yù)期發(fā)生頻率，以及它們的執(zhí)行是否是事件或者計劃驅(qū)動的。

優(yōu)化低功耗嵌入式設(shè)計的主要方式之一是找到仍然能夠?qū)ν饨缡录M行足夠響應(yīng)的最低休眠模式。大多數(shù)使用Cortex-M處理內(nèi)核的MCU支持多種休眠模式。

Silicon Labs的EFM32 Gecko系列產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)的32位ARM Cortex-M內(nèi)核，結(jié)合了能耗優(yōu)化的多種外設(shè)和時鐘架構(gòu)。EFM32架構(gòu)特別針對功耗敏感型應(yīng)用而設(shè)計。該架構(gòu)利用各種功耗模式，使得開發(fā)人員能夠為可穿戴設(shè)備提供最佳的能源效率(見表2)。

休眠/待機(Sleep/Standby)(即EFM32 MCU的EM1模式)——能夠以稍高點的功耗代價快速返回到活動模式(通常通過中斷方式)。這種模式中，EFM32功耗為45μA/MHz;而其他32位MCU通常為200μA。

深度休眠(Deep Sleep)(EFM32的EM2模式)——保留MCU的關(guān)鍵單元處于活動模式，同時禁止高頻系統(tǒng)時鐘和其他非必要載荷。在這種模式下，EFM32功耗低至900nA;而其他32位MCU通常為10-50μA。

停機(Stop)(EFM32的EM3模式)——深度休眠模式的增強版本，能夠進一步節(jié)省功耗，同時保持有限的自治性外設(shè)活動和快速喚醒能力。在這種模式下，EFM32功耗為0.59μA;而其他32位MCU通常為10-30μA。

關(guān)機(Off)(EFM32的EM4或者關(guān)斷模式)——這種“near-death”狀態(tài)保存最小的可被外界刺激觸發(fā)的喚醒功能。這種節(jié)能效率的代價是顯著增加喚醒時間。在這種模式下，EFM32功耗為20nA(RTC運行時是420nA);而其他32位MCU通常為1.5μA。

后備電池模式(Backup Battery Mode)——EFM32的獨特特性，提供一個可替代關(guān)機模式的極具吸引力的替代模式，保留更多關(guān)鍵功能，并且支持更快的喚醒能力。

表2 ：EFM32 MCU為可穿戴應(yīng)用提供的一系列功耗模式

智能外設(shè)就是智能設(shè)計

許多MCU都至少擁有幾個外設(shè)用于執(zhí)行周期性任務(wù)、I/O和內(nèi)務(wù)處理任務(wù)，而同時CPU能夠保持在它的低功耗休眠模式之一。一些MCU也擁有自治性外設(shè)，用以執(zhí)行多種無需CPU干預(yù)的功能(例如計數(shù)器/定時器、ADC、DAC、GPIO、串行收發(fā)器等)。例如所有被EFM32 Gecko MCU支持的片上外設(shè)都擁有自治功能，可以在一個或多個設(shè)備休眠模式上保持活動狀態(tài)。這與那些在最低能耗模式下僅支持有限活動功能(例如GPIO喚醒和RTC操作)的MCU形成鮮明對比。

除了擁有其他MCU所提供的計數(shù)器/定時器、ADC、DAC、GPIO和串行通信單元之外，EFM32 MCU系列產(chǎn)品的外設(shè)集還包括：

●電容感應(yīng)控制器——感應(yīng)NxN網(wǎng)格(最大16點)內(nèi)觸摸板觸點和坐標(biāo)，而無需CPU干預(yù)，并且CPU可以保持在EM2能耗模式。

●LCD驅(qū)動程序——可以從內(nèi)存通過DMA驅(qū)動段碼型LCD或TFT顯示屏，而無需CPU干預(yù)。

●模擬比較器——可以監(jiān)視警報/報警條件的門限電壓，而無需CPU干預(yù)。

●帶有DMA功能的Low Energy UART(LEUART)——可以在CPU處于EM2功耗模式下保持?jǐn)?shù)據(jù)接收能力，無需喚醒CPU。

●Low Energy Sensor(LESENSE)接口——可以與最大16個模擬傳感器(包括電阻型、電感型和電容型)協(xié)同工作，構(gòu)成一個自治狀態(tài)機。

大多數(shù)外設(shè)功能的活動，包括串口通信、計數(shù)器/定時器、模擬和數(shù)字比較器、高級I/O，都由專門的低功耗反射總線(稱為Peripheral Reflex System或者PRS)進行協(xié)調(diào)。來自一個外設(shè)的事件和信號能夠作為輸入信號，或者被其他外設(shè)作為觸發(fā)器，從而確保時序關(guān)鍵的操作并減少軟件負(fù)荷。這些高級特性使得EFM32 Gecko MCU能夠提供優(yōu)秀的32位計算性能，同時使得可穿戴產(chǎn)品設(shè)計具有超低功耗和更長電池壽命。

最小化能耗中的軟件力量

為了簡化開發(fā)過程、縮短上市時間、獲得最佳能效，可穿戴產(chǎn)品設(shè)計者必須考慮MCU供應(yīng)商所提供的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的有效性和易用性。為了使開發(fā)過程更加容易、快速和有效，開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)使用完整、簡單易用的平臺，該平臺能夠為他們提供完成項目所需的一切資源，從初始概念設(shè)計到最終產(chǎn)品。同樣重要的是，生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供可以使開發(fā)人員優(yōu)化產(chǎn)品能耗的輔助設(shè)計工具。

例如，Silicon Labs的Simplicity Studio開發(fā)平臺包括了實時能耗配置和分析工具，是為了估算能耗、平衡性能和能效。Simplicity Studio energyAware Battery Calculator幫助開發(fā)人員評估電流消耗和電池壽命。開發(fā)人員能夠選擇EFM32 MCU Energy Mode和電池配置，并且在編寫任何代碼之前評估功耗。energyAware Profiler(見圖4)實時分析電流消耗，如果電流消耗太高，可以幫助開發(fā)人員識別應(yīng)當(dāng)被優(yōu)化的代碼區(qū)域。

圖4：諸如Simplicity Studio energyAware Profiler的開發(fā)工具能夠幫助設(shè)計人員調(diào)整他們的可穿戴應(yīng)用以優(yōu)化能源效率

通過簡單的觀察電流消耗的圖形輸出，開發(fā)人員可以快速查看是否有任何功耗顯著增加。要采取進一步措施，可以單擊圖表上一個點，選定應(yīng)用并顯示與電流消耗相關(guān)的C代碼行，這對于開發(fā)人員來說非常有價值。這種能力能夠幫助開發(fā)人員追蹤電流消耗中異常數(shù)值到特定代碼行，并進行優(yōu)化。最后，這種能耗感知能力對于電池供電的可穿戴應(yīng)用來說特別關(guān)鍵，它能夠讓開發(fā)人員了解每個mA數(shù)(甚至μA數(shù))消耗在何處。

結(jié)論

為了集成復(fù)雜技術(shù)和高性能組件到空間和能耗都受限的設(shè)計中，為腕上革命而設(shè)計的制勝產(chǎn)品需要對可穿戴應(yīng)用需求的現(xiàn)狀以及最新的設(shè)計方法有深度的理解。智能手表、便攜式健身追蹤器、智能眼鏡和其他可穿戴計算設(shè)備正在改變著我們所知的與便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)的一切事項。

可穿戴設(shè)備也正在改變著設(shè)計工程師的設(shè)計規(guī)則，他們必須完美的集成精密傳感、計算、顯示和無線技術(shù)到成本受限、引人入勝、超級緊湊的設(shè)計中，并且能夠在單一可替換電池或其他受限電源供電下工作數(shù)月。新型的可穿戴計算產(chǎn)品正在以更快的速度出現(xiàn)在市場中，每一個設(shè)計創(chuàng)新都在打破著我們對最終用戶體驗的預(yù)期。腕上革命才剛剛開始!