全方位解读如何小型化可穿戴设备设计，同时兼顾电池寿命

消费类电子产品经过几十年的发展已经有无数种各类用途的设备，从专业设备到个人消费品。虽然存在性能和功能的差异，但是消费类电子产品往往遵循相同的设计趋势：设备功能变得越来越强大、体积小巧和省电。可穿戴设备集中体现了这一趋势，它是一种便携、电池供电、高集成度的设备，负责从高精度模拟测量到直观用户界面的所有一切。可穿戴式设备开发人员必须仔细的在多种集成电路（IC）中匹配产品的需求，有时还需要同时应对相互矛盾的优先选项。

例如，让我们仔细思考，在灵巧的可穿戴式设计中如何兼顾尺寸、电池寿命和功能，同时又不忽视可穿戴设备的特殊性：包括它们的个性化功能和吸引力。我们以“功能单一”类型的可穿戴设备为例——一个没有屏幕、纽扣电池供电的计步器，可以在当用户需要运动时提醒用户，同时也能够保持跟踪一整天的步数。一个简单的电容感应触控接口实现用户输入，一个三色LED提供刚好够用的富有表现力的输出，这使产品可以提供方便且具吸引力的个性功能。这个产品设计展示了功能强大的IC如何塞入小型封装中，有助于促进创新和产品差异化。

产品需求
让我们先来勾画出产品的基本需求。在定义了功能集之后，我们能够选择负责各项功能的组件。这是一款精简到只剩基本功能的计步器。没有提供屏幕、蜂鸣器或者iPhone应用程序，该设备有意突出它的简朴和小尺寸。它的用户接口同样简洁明了。

基本设计需求包括：
1）最小化可实现的外形尺寸：带有外壳的产品应当在各项尺寸上尽可能接近CR2032电池的大小，因此用户能够在口袋中携带该设备，或者挂到他们的钥匙链上。

2）用户输入：在纽扣电池形状壳体的一侧，提供能够识别如下输入的电容触摸接口：
•滑动：解除提示用户需要起立的报警
•轻敲并保持：开启新的一天（复位计步器）
•轻敲：检查一天中的步数

3）简单的输出：在壳体某处裸露的LED提供所有输出：
•红色：定时的短闪烁表示用户已经保持不动太长时间了
•绿色双闪：当用户开始新一天时通过轻敲并保持动作触发
•1秒钟红/黄/绿输出：指示一天内达到33%、66%和100%步数的百分比，在轻敲触摸接口后持续几秒钟

如何实现小型化？

CR2032电池的直径是20mm，高度是3mm。很显然，我们的系统必须比它稍微大些，但是我们如何在现实中实现可穿戴设备的小型化呢？让我们假设产品的塑料外壳能够做的非常薄，因此在直径上它增加的长度不会超过5mm，同时易于支持电池更换。对于高度，我们如何最小化该设计的高度并保持大致纽扣电池那样的尺寸呢？在产品的垂直堆叠中，它的高度由四种器件尺寸构成：电池、印制电路板（PCB）、PCB上的器件和产品的塑料外壳。对于四层PCB来说，PCB厚度大约为0.5mm。而如何最小化焊接到该PCB上的器件高度需要仔细进行型号选择。这时寻找高性能的芯片级尺寸封装的器件对于我们的设计来说至关重要。

芯片级尺寸封装的好处

晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）代表了制造和芯片组装技术中多年持续进步的成果。在WLCSP封装中，硅被直接连接到封装一侧的焊球上，与之相反，旧有技术通过绑定线连接硅端口焊盘到封装引脚。这种设计的影响是封装能够设计成宽度和高度都接近内部硅片自身尺寸的大小。

IC供应商们争相发布WLCSP的封装支持现有的多种设备，从而获得极小封装类型的好处。此时会出现的挑战是：一些厂商的硅片相当大，以至于它在获得更小尺寸的封装上没有竞争力。来自SILICON LABS的EFM8SB1 MCU非常适合CSP封装类型，这是因为虽然该MCU有极高的功能密度，但是它已经适应小封装尺寸（例如3mm×3mm QFN封装）。EFM8SB1 WLCSP封装尺寸仅为1.78mm×1.66mm。

Silicon Labs EFM8SB1 MCU成为这个设计和其他可穿戴设计的理想选择，它的关键特性包括：
1）8位MCU提供超低功耗、高灵敏度电容感应输入。
2）片上实时时钟能够周期的从超低功耗（~300nA）状态唤醒系统。在这个设计中，这个时钟的一个用途就是测量从最近一次走动以来的时间，并发送活动通知去鼓励用户站起来并走动。
3）2-8kB闪存和512字节的RAM维持在整个低功耗周期内，结合25MHz的8051内核使这个小设备具有执行逻辑和进行多种系统响应的能力。

接下来是计步器的选择。为了充分利用CSP封装的MCU所带来的超薄特性，所有板上的集成电路理论上也要选择CSP封装的器件。出于这个原因，我们的板上加速计理论上也应当支持CSP封装。最新发布的Bosch BMA355提供高集成度的传感器，在片上实现多种三轴事件监测，可以通过SPI接口与EFM8 MCU进行通信交互的事件。

因为两个IC器件以及必要的几个分立被动器件都能够采用超薄封装，因此产品的塑料外壳可制成超薄的并且靠近电容感应面，从而优化触摸灵敏度。其产品外壳甚至能够在靠近电容感应焊盘区域有轻微的锥度，以压缩板上PCB和板上器件之间形成微小的空间间隙。

图1：带有CSP MCU的可穿戴设备板垂直层叠图

电路板布局
使用CSP封装器件最大化的电路板空间，使得我们能够在PCB上实现电容感应接口。MCU和加速计应集群分布在大体成圆形的PCB一侧的边缘，连同可以裸露的LED一起。当然LED可能需要在设备的封装壳上开孔来展现。

为了检测手指滑动，电路板必须有两个电容传感器，理论上是相同尺寸的两个传感器，沿着他们相同的边沿轻微的交错开。这两个传感器应当占去板上MCU侧的大部分面积，然而它们应当被第三个细小的传感器围绕，同时这第三个传感器也围绕着其他两个传感器。这第三个传感器在用户交互过程中提供我们MCU在进行触摸和滑动检测过程中所需要使用的关键信息。

 
图2：拥有电容传感器的可穿戴设备电路板布局

触摸检测
可穿戴设备的极度便携性意味着这些设备通常放在身上或者手中。对于测量传导物质（例如手或者皮肤）接近的设备来说，被设备检测到的接近恒定的人体接触可能导致触摸检测问题。幸运的是，该设计中所选择的MCU和加速计的特点帮助开发人员克服了这些挑战。

虽然该系统有三个电容传感器，但是实际上它有四个触摸输入。加速计提供了中断驱动的轻敲探测器，能够通过固件检测触摸事件并且以多种方式提供接口给我们。凭借加速器轻敲检测器的优势，由EFM8SB1 MCU检测的触摸经过以下阶段：
1）在设备边沿处的边界传感器处检测到正向增量，执行一个输入使用案例，这是用户沿着设备的边沿拿着设备，或者用手掌完全围绕设备边沿握持，马上接下来是：
2）轻敲检测事件由加速计发出，同时与下列事件保持一致
3）在中心的电容传感器其一或全部检测到显著幅度的正向增量

MCU的固件可以通过Silicon Labs Simplicity Studio开发环境提供的电容感应固件库实现所有电容感应触摸检测和过滤。

低功耗功能
加速计和MCU都能够被配置在低功耗模式下操作。电容感应固件库使得EFM8SB1 MCU能够进入~300nA的睡眠模式，并且周期性的唤醒去检查电容传感器上的活动事件。如果加速计发信号通知事件已经检测到并且数据已经准备就绪，那么MCU也能够使用端口匹配唤醒事件去异步唤醒。

EFM8SB1 MCU将保持在低功耗状态，并且仅仅消耗不到1µA电流，除非有下列情况之一发生：
•触摸检测事件需要对电容感应输入监视进行更多响应
•加速计活动事件（例如轻敲检测或者脚步检测中断）需要MCU唤醒去服务这些中断
•运动通知事件，设备开关LED去鼓励用户站起并走动

与此同时，加速计被配置来实行最低的功耗操作状态，同时仅仅在轻敲事件或者在三轴之一检测到变化时才发送信号。但是片上缓存数据能够最小化MCU和加速计之间的交互次数，进一步优化电池使用寿命。

MCU从加速计读出缓冲数据之后，一些附加的检查和分析必须被执行以确定是否有后续步骤。一旦三轴数据与存储在EFM8SB1设备上的历史数据相比较后，MCU可以更新其计步器，并且快速返回到低功率状态。

下一步？
本示例中展示了可穿戴设备领域内“单一功能”类型的终端产品。在示例中CSP尺寸的集成电路操作所带来的功能密度、精确度和能效也说明了如何使用和控制这类IC。例如，在可穿戴设计中描述的产品可以被视为更大产品中的一个子系统，其中芯片尺寸的MCU可作为低功耗传感器集线器运行，去管理触摸接口和加速计。随着硅芯片供应商设法集成更多特性到更小封装中，需要系统开发人员充分利用这些创新去获得产品设计的灵感。

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