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众厂商热议可穿戴设备的技术发展

作者:王莹 王金旺时间:2016-08-29来源:电子产品世界收藏
编者按:本文通过对各大可穿戴设备相关厂商的访谈,探讨了可穿戴设备的技术发展。

与节电

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201608/296176.htm

小尺寸和低功耗是设备的重中之重

  手腕佩戴的健身和健康设备,包括智能手表,这些设备不仅具有计步功能,而且提供相关的健身/健康数据。其中可能包括运动强度分析、基本心率和心率变异性等参数。现在的关键元件能够高精度测量不同运动状态下的心率,同时功耗较低、电池寿命较长。将来的发展趋势是提供更多的生物检测功能,从而实现更全面的健康评估,而设计者需要在小尺寸、低功耗方面做更多的优化。用于生命体征监测的设备发展很快。此类设计的有些方面非常关键,包括低功耗、小尺寸以及设计简单性。

  Maxim致力于为客户提供创新的解决方案。例如,我们在可穿戴健身和健康应用领域的IP和知识积累,允许我们在微小、低功耗封装中集成多种技术。例如,Maxim的MAX30101脉搏血氧仪和心率集成传感器模块就是一款超低功耗的可穿戴健身和健康应用。器件尺寸极小、容易设计,满足苛刻的上市时间要求,适用于要求加快可穿戴和健康产品上市时间的系统设计者。超低功耗方案提供完备的系统,节省空间,使移动及可穿戴设备的设计过程变得轻松。

能量采集和无线充电增强可穿戴设备实用性

  除了集成更多传感器和功能,第三代可穿戴设备还需要能在两次充电之间使用许多天的时间。

  为此,许多制造商都在寻找用于补充电池电量,甚至帮助给可穿戴设备充电的创新途径,如能量采集和无线充电。这两种技术的发展速度几乎与可穿戴设备市场一样快;前者使用包括光伏、热电和振动发电机等技术来提供小而适用的电能水平,而后者可提取背景或直达 RF 波中存在的能量并将其转化为电。这两种技术都呈现出光明的前景,并且将来有可能在可穿戴设备市场上发挥重要作用。但目前最有可能的解决方案依然是可再充电的化学电池,这些电池尽管需要充电,但只有它们可以为采用无线连接的小型可穿戴设备提供其所需的能量密度。

  到目前为止,可穿戴设备最广泛使用的无线技术是蓝牙,具体而言是最新的低能耗(Low Energy)蓝牙技术。像开放标准无线协议的其他例子一样,安全性也是蓝牙规范不可缺少的组成部分,其最新版本(4.2)推出了一系列安全增强。然而,随着可穿戴设备从运动跟踪器发展成为医学监测器,对更高安全性的需求也在增加。对于分享敏感医学数据的解决方案,制造商和消费者对安全性都提出高要求,所以Dialog在其针对可穿戴设备技术的解决方案中采用了加密技术,确保数据即使在无线链路受到黑客入侵时仍然是安全的。

低功耗无线电单芯片系统可提供更好的用户体验

  智能手环、手表等可穿戴产品如今仍是可穿戴设备中占比较大的产品。预期未来这类产品将会增加诸如支付服务等更多功能,更多不同类型的传感器,工作待机时间更长,产品外形更小更轻巧。如今,可穿戴设备新添加如支付服务、定位追踪、精度更高的活动追踪、心率等有关健康数据等功能开始受到关注。除了运用手机、平板等作为硬件设备将运动数据上传到云端界面外,将来穿戴设备也可通过网关路由器到云端服务,满足行业内的应用。

  Nordic半导体致力于发展低功耗无线电单芯片系统。当中最新第三代蓝牙系列nRF52使用M4F 64MHz核,具备良好处理能力,附带512kB闪存与64kB RAM的配置,可让穿戴产品处理更复杂的运动、心率等传感器算法,以及未来IPv6的数据包的处理。集成的NFC可使产品在蓝牙配对时使用户得到更安全简单的操作。nRF52系列也会支持Bluetooth 5.0标准。同时,Nordic自主研发的蓝牙协议栈S132 SoftDevice更能提升低功耗蓝牙资料传输量,缩短穿戴设备资料上传云端的时间,提供更良好的用户体验。

可穿戴设备需要低功耗和长续航时间

  可穿戴设备是物联网(IoT)的组成部分,它们与用户的智能手机或平板电脑相连,由单芯锂离子或锂聚合物电池组,或者两节碱性、镍镉或镍氢电池供电。两个主要的可穿戴设备类别是智能手表和健身跟踪设备,前者如Apple Watch和三星Gear,后者如Fitbit Blaze和小米手环2。随着可穿戴设备越来越流行,消费者关心其设备单次充电能使用多长时间。长电池续航时间是每个消费者在做出购买决定时最先考虑的因素之一。

  硬件小型化、传感器技术和人工智能算法领域的持续进展,最终将帮助把可穿戴设备带到对抗糖尿病、心脏病和癌症等慢性疾病的最前线。一项最新市场研究报告称,这些技术进步将使可穿戴设备发展到这样的水平——智能手表将能够提前几天警告配戴者注意中风或心脏病发作的危险。同时,随着消费者看到可穿戴设备对于监测心率、卡路里消耗、睡眠模式、步行和锻炼活动等的好处,现在的可穿戴设备有望继续稳步发展。

  Intersil的创新自适应脉冲频率调制(PFM)IP和升压-降压稳压解决方案,解决了目前可穿戴设备设计中最具挑战性的问题,包括实现对系统电源和外围设备(如Wi-Fi、蓝牙、内存模块和LCD面板)的高效电源管理。Intersil的升压-降压稳压器IC提供业内领先的效率、降压与升压模式间的平滑转换和对大负载阶跃的快速瞬态响应——所有这些优点对可穿戴设备制造商都极具吸引力。

运用休眠状态降低可穿戴设备功耗

  为了保证智能可穿戴终端更长的待机时间,可以让设备或部分功能模块在需要的情况下激活,而在其他大部分情况下处于耗电量极低的休眠状态。在休眠状态下,芯片或功能模块的电流水平保持在非常低的水平;而在激活状态下,芯片或功能模块的电流需要维持正常的功能。表1列举了两种常见智能穿戴电子设备的通信芯片的信号水平。可以看到,激活状态下的电流可以达到休眠状态下的几万甚至几十万倍!这是一个巨大的动态范围。

  为了更好地评估休眠模式下的电流/电压大小,测量仪器只能以更高的精度才能满足要求。这是一个测量难点——绝对幅度低。另一个难点是要在几万倍动态范围的电流信号之间进行快速的动态切换。要对这种大动态范围的切换进行测量,则给测量仪器提出了更高的挑战。

  综合以上两个难点,智能可穿戴电子设备对测量仪器的要求可以总结为:

  1)仪器本身的噪声低;2)大的动态范围;3)在各个量程之间能无缝切换;4)大带宽。

  是德科技(原安捷伦电子测量事业部)各种精度级别的测试方案能帮助工程师满足不同精度和带宽要求。具有专利的无缝量程切换功能让工程师能轻松面对超大动态范围,观察大信号的同时,也能洞察小信号的变化。 

IP

可穿戴产品对安全性需求越来越高

  ARM整个生态系统都致力于在电池和散热或是整个设备面积受限的情况下为消费者带来更好的用户体验,提供更好的性能。这个是非常重要的。我们看到目前超过95%的可穿戴设备采用了ARM技术。

  除此以外,我们发现可穿戴产品对安全性的需求越来越高。可穿戴设备采集了很多个人信息,比如运动信息、位置信息、个人医疗信息、支付信息等。所以,对于这些信息的数据保护非常重要,这会给消费者带来非常好的用户体验。

  我们也看到每个穿戴设备都有自己的安全机制。我们希望可以提供一些比较通用的解决方案,在整个API的层面,而不仅仅是在CPU的硬件部分。去年10月,我们也将TrustZone技术拓展至ARMv8-M。 TrustZone 技术为处理器分区提供系统范围的安全方法,通过隔离硬件资源与软件,创造一个“安全的”环境,抵御软件攻击。对于那些对于操作系统的安全(safety)和安全性(security)都有着严格要求的设备而言,TrustZone能够在一个受到信任的环境里对安全性应用进行隔离和执行,其执行优先级高于在普通环境里的非安全性应用。此外,我们的TrustZone安全附加中间件(Middleware)能够向软件公司提供附加价值。它可以移到不同的处理器上,这使得客户在他们的商业模式或者是可支持的处理器上都有更多的弹性,让他们同时可以处理更多的订单。

  另外,对于可穿戴来讲,一直在线的连接是非常重要的。正如ARM为手机提供了一系列解决方案一样,在可穿戴设备方面,ARM也提供了一系列技术,包括了Cortex-M、Cortex-A、GPU、蓝牙解决方案等,有力地支持了可穿戴设备的创新。

低功耗是可穿戴设备必备性能

  在设计可穿戴SoC中,需要考虑的因素显然依据具体应用的不同而有巨大差别,但是不论什么应用,将功耗降至最低是非常关键的。为了最大限度延长电池寿命,系统中的每一个因素的设计都应考虑到低功耗的实现。

  连接性是一个非常重要的因素,对于可穿戴设备,无线连接的种类基于应用的不同而各不相同。此外,即使是同一个设备,也可能有多重功耗标准。对于可穿戴设备的控制可通过蓝牙来实现,而这就要求BLE或传统蓝牙性能。可穿戴设备还可连接至Wi-Fi或LTE网络。

  设计师还需要考虑到需通过设备进行多少本地处理。即使是监测设备,也不能通过云进行所有的决策。但这样的设备主要是起到提供信息的作用,我们相信它将来也能具备一定的本地处理和决策性能。这也就意味着高性能低功耗的CPU是其中的关键因素。

  在VR 头盔这类产品中,其成功与否取决于高质量的图形性能,显示是产品性能的重要组成部分。设计师需要性能极佳的GPU产品,例如Imagination公司的高端PowerVR GPU,其中包含下一代PowerVR Series8XT。对于具备显示功能的可穿戴设备,例如智能手表,使用Imagination入门级PowerVR GPU,例如PowerVR 8XE系列GPU可帮助设计师降低设备实现相应功能的功耗,并改善可穿戴设备中电池寿命部分。

  最后一点,设计师在设计可穿戴设备的过程中需要强大的安全性能来保护数据和与之连接通信的网络。

电池寿命、用户界面以及wearalone发展趋势

  毫无疑问,可穿戴设备最重要的特性是电池使用寿命。可穿戴设备的小型电池通常为普通智能手机电池尺寸的十分之一,如果用于非常基本的活动腕带,运作时间可以是数周,用于智能手表可能是数天(至多),用于耳内听觉设备可能只有数小时。显然,可穿戴产品要在大众之中普及的一个主要障碍是电池寿命,太过频繁的充电,可能导致用户在外出时将设备抛之脑后。

  用户界面(UI)也十分重要,可穿戴产品尺寸小,大多数没有触摸屏或物理按钮,其运作必需经由其它形式的UI,比如语音激活(它正在成为最自然的无缝UI)、运动或手势识别(摇、轻击),甚至将触觉(振动、触摸)用于用户反馈。

  可穿戴产品领域内一个主要发展趋势是Wearalone的兴起,或者“将你的智能手机留在家中”。Wearalone是始终连接的蜂窝连接可穿戴产品,甚至不需要与智能手机配对。Wearalone智能手表可以用于户外活动,将云端音乐引导到无线头戴耳机,无需手机即可回答呼叫,以及更多功能。因而,我们期待看到更多设备,不单采用短距蓝牙和Wi-Fi,还采用蜂窝连接,具有全3G或LTE支持,或者更低带宽LTE Cat-0和即将推出的NB-IoT标准。

存储

可穿戴设备对存储方面的要求

  可穿戴产品对存储的需求正在显著增长,并且对设计的多样化要求也在与日俱增。低功耗、不断增强的性能以及小巧的外形规格正加大对高级离散组件和多芯片封装 (MCP)的需求。

  离散组件:监测类可穿戴设备大多以智能手机配件的形式出现。它们注重尺寸和电池续航效率;此外,作为智能手机的配件,它们不需要存储很多本地数据,与音频和视频文件比起来,即使是一整天的健康和健身监测数据也是微不足道的。由于可穿戴设备中的物理空间极为宝贵,因此,NOR 闪存凭借容量、芯片尺寸和低功耗成为了众多此类设备的理想选择。容量范围在 1-256Mb 之间的 NOR 设备能够在空间很小的地方使用,例如,晶圆级芯片尺寸封装 (CSP)、2mmx3mm双列扁平无引脚封装 (DFN) 和具体视密度而定的工业标准小外形集成电路封装 (SOICx)。另一款非常适合满足这种空间要求的存储产品是串行外设接口 (SPI) NAND。由于可穿戴产品的设计日渐复杂,对存储产品的要求也随之提高,设计师可能会认为有必要在维持较低的整体物料清单成本的基础上增加额外的存储容量。而SPI NAND 不仅具备串行 NOR 的优势(如引脚数较少、封装尺寸更小),还能提供更大的密度(1Gb 至 8Gb),其价格也低于同等密度的串行 NOR。

  多芯片封装 (MCP):MCP通常指内含多种存储类型的单个封装。NOR、NAND 或 e.MMC 等非易失性存储可与 PSRAM 或 LPDRAM 在单个 PoP(封装体叠层)或 BGA(球栅阵列)封装上堆叠,以节省 PCB 空间。例如,封装了 64Mb NOR 和 32Mb PSRAM 的 MCP 尺寸为 6mmx4mm,而密度更高的 e.MCP 将 8GB e.MMC 和 8Gb LPDDR3 封装在一起,其尺寸为 11.5mmx13mm。密度更高的 MCP 可提供相机和智能眼镜等更高端可穿戴设备所需的性能。极度节省空间的 MCP 配置使用直接焊接在 SoC 上的 PoP 解决方案,将存储的 PCB 空间要求降低至零。使用 MCP 解决方案的另一个优势是使存储靠近 SoC,通过模块快速集成,实现短程互联(这能减少数据完整性问题)和加快产品上市时间。

  参考文献:

  [1]于寅虎.低功耗和小型化半导体器件掘金可穿戴设备市场[J].电子产品世界,2014(3):13-16.

  [2]王莹,孙俊杰,叶雷.可穿戴传感器的特点与趋势[J].电子产品世界,2014(10):11-14.

  [3]何小庆.2014年可穿戴设备市场回顾[J].电子产品世界,2015(2-3):5-7.

  [4]王莹,叶雷..除了手表和手环,可穿戴还有哪些机遇与挑战[J].电子产品世界,2015(9):9-15.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第7页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。


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