【導(dǎo)讀】消費類電子產(chǎn)品經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)有各類用途的設(shè)備。雖然存在性能和功能的差異,但往往遵循相同的設(shè)計趨勢:功能更強大、體積更小巧和省電。可穿戴設(shè)備集中體現(xiàn)了這一趨勢:便攜、電池供電、高集成度??纱┐魇皆O(shè)備開發(fā)人員必須仔細的在多種集成電路中匹配產(chǎn)品的需求,有時還需要同時應(yīng)對相互矛盾的優(yōu)先選項。
例如,讓我們仔細思考,在靈巧的可穿戴式設(shè)計中如何兼顧尺寸、電池壽命和功能,同時又不忽視可穿戴設(shè)備的特殊性:包括它們的個性化功能和吸引力。我們以“功 能單一”類型的可穿戴設(shè)備為例——一個沒有屏幕、紐扣電池供電的計步器,可以在當用戶需要運動時提醒用戶,同時也能夠保持跟蹤一整天的步數(shù)。一個簡單的電 容感應(yīng)觸控接口實現(xiàn)用戶輸入,一個三色LED提供剛好夠用的富有表現(xiàn)力的輸出,這使產(chǎn)品可以提供方便且具吸引力的個性功能。這個產(chǎn)品設(shè)計展示了功能強大的 IC如何塞入小型封裝中,有助于促進創(chuàng)新和產(chǎn)品差異化。
我們的產(chǎn)品需求
讓我們先來勾畫出產(chǎn)品的基本需求。在定義了功能集之后,我們能夠選擇負責(zé)各項功能的組件。這是一款精簡到只剩基本功能的計步器。沒有提供屏幕、蜂鳴器或者iPhone應(yīng)用程序,該設(shè)備有意突出它的簡樸和小尺寸。它的用戶接口同樣簡潔明了。
基本設(shè)計需求包括:
最小化可實現(xiàn)的外形尺寸:帶有外殼的產(chǎn)品應(yīng)當在各項尺寸上盡可能接近CR2032電池的大小,因此用戶能夠在口袋中攜帶該設(shè)備,或者掛到他們的鑰匙鏈上。
用戶輸入:在紐扣電池形狀殼體的一側(cè),提供能夠識別如下輸入的電容觸摸接口:
滑動:解除提示用戶需要起立的報警
輕敲并保持:開啟新的一天(復(fù)位計步器)
輕敲:檢查一天中的步數(shù)
簡單的輸出:在殼體某處裸露的LED提供所有輸出:
紅色:定時的短閃爍表示用戶已經(jīng)保持不動太長時間了
綠色雙閃:當用戶開始新一天時通過輕敲并保持動作觸發(fā)
1秒鐘紅/黃/綠輸出:指示一天內(nèi)達到33%、66%和100%步數(shù)的百分比,在輕敲觸摸接口后持續(xù)幾秒鐘
如何實現(xiàn)小型化?
CR2032 電池的直徑是20mm,高度是3mm。很顯然,我們的系統(tǒng)必須比它稍微大些,但是我們?nèi)绾卧诂F(xiàn)實中實現(xiàn)可穿戴設(shè)備的小型化呢?讓我們假設(shè)產(chǎn)品的塑料外殼能 夠做的非常薄,因此在直徑上它增加的長度不會超過5mm,同時易于支持電池更換。對于高度,我們?nèi)绾巫钚』撛O(shè)計的高度并保持大致紐扣電池那樣的尺寸呢? 在產(chǎn)品的垂直堆疊中,它的高度由四種器件尺寸構(gòu)成:電池、印制電路板(PCB)、PCB上的器件和產(chǎn)品的塑料外殼。對于四層PCB來說,PCB厚度大約為 0.5mm。而如何最小化焊接到該PCB上的器件高度需要仔細進行型號選擇。這時尋找高性能的芯片級尺寸封裝的器件對于我們的設(shè)計來說至關(guān)重要。
芯片級尺寸封裝的好處
晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)代表了制造和芯片組裝技術(shù)中多年持續(xù)進步的成果。在WLCSP封裝中,硅被直接連接到封裝一側(cè)的焊球上,與之相反,舊有技術(shù)通過綁定線連接硅端口焊盤到封裝引腳。這種設(shè)計的影響是封裝能夠設(shè)計成寬度和高度都接近內(nèi)部硅片自身尺寸的大小。
IC 供應(yīng)商們爭相發(fā)布WLCSP的封裝支持現(xiàn)有的多種設(shè)備,從而獲得極小封裝類型的好處。此時會出現(xiàn)的挑戰(zhàn)是:一些廠商的硅片相當大,以至于它在獲得更小尺寸 的封裝上沒有競爭力。來自Silicon Labs的EFM8SB1 MCU非常適合CSP封裝類型,這是因為雖然該MCU有極高的功能密度,但是它已經(jīng)適應(yīng)小封裝尺寸(例如3mm×3mm QFN封裝)。EFM8SB1 WLCSP封裝尺寸僅為1.78mm×1.66mm。
EFM8SB1 MCU成為這個設(shè)計和其他可穿戴設(shè)計的理想選擇,它的關(guān)鍵特性包括:
• 8位MCU提供超低功耗、高靈敏度電容感應(yīng)輸入。
• 片上實時時鐘能夠周期的從超低功耗(~300nA)狀態(tài)喚醒系統(tǒng)。在這個設(shè)計中,這個時鐘的一個用途就是測量從最近一次走動以來的時間,并發(fā)送活動通知去鼓勵用戶站起來并走動。
• 2-8kB閃存和512字節(jié)的RAM維持在整個低功耗周期內(nèi),結(jié)合25MHz的8051內(nèi)核使這個小設(shè)備具有執(zhí)行邏輯和進行多種系統(tǒng)響應(yīng)的能力。
接下來是計步器的選擇。為了充分利用CSP封裝的MCU所帶來的超薄特性,所有板上的集成電路理論上也要選擇CSP封裝的器件。出于這個原因,我們的板上加 速計理論上也應(yīng)當支持CSP封裝。最新發(fā)布的Bosch BMA355提供高集成度的傳感器,在片上實現(xiàn)多種三軸事件監(jiān)測,可以通過SPI接口與EFM8 MCU進行通信交互的事件。
因為兩個IC器件以及必要的幾個分立被動器件都能夠采用超薄封裝,因此產(chǎn)品的塑料外殼可制成超薄的并且靠近電容感應(yīng)面,從而優(yōu)化觸摸靈敏度。其產(chǎn)品外殼甚至能夠在靠近電容感應(yīng)焊盤區(qū)域有輕微的錐度,以壓縮板上PCB和板上器件之間形成微小的空間間隙。
電路板布局
使用CSP封裝器件最大化的電路板空間,使得我們能夠在PCB上實現(xiàn)電容感應(yīng)接口。MCU和加速計應(yīng)集群分布在大體成圓形的PCB一側(cè)的邊緣,連同可以裸露的LED一起。當然LED可能需要在設(shè)備的封裝殼上開孔來展現(xiàn)。
為了檢測手指滑動,電路板必須有兩個電容傳感器,理論上是相同尺寸的兩個傳感器,沿著他們相同的邊沿輕微的交錯開。這兩個傳感器應(yīng)當占去板上MCU側(cè)的大部 分面積,然而它們應(yīng)當被第三個細小的傳感器圍繞,同時這第三個傳感器也圍繞著其他兩個傳感器。這第三個傳感器在用戶交互過程中提供我們MCU在進行觸摸和 滑動檢測過程中所需要使用的關(guān)鍵信息。
觸摸檢測
可穿戴設(shè)備的極度便攜性意味著這些設(shè)備通常放在身上或者手中。對于測量傳導(dǎo)物質(zhì)(例如手或者皮膚)接近的設(shè)備來說,被設(shè)備檢測到的接近恒定的人體接觸可能導(dǎo)致觸摸檢測問題。幸運的是,該設(shè)計中所選擇的MCU和加速計的特點幫助開發(fā)人員克服了這些挑戰(zhàn)。
雖然該系統(tǒng)有三個電容傳感器,但是實際上它有四個觸摸輸入。加速計提供了中斷驅(qū)動的輕敲探測器,能夠通過固件檢測觸摸事件并且以多種方式提供接口給我們。憑借加速器輕敲檢測器的優(yōu)勢,由EFM8SB1 MCU檢測的觸摸經(jīng)過以下階段:
• 在設(shè)備邊沿處的邊界傳感器處檢測到正向增量,執(zhí)行一個輸入使用案例,這是用戶沿著設(shè)備的邊沿拿著設(shè)備,或者用手掌完全圍繞設(shè)備邊沿握持,馬上接下來是:
• 輕敲檢測事件由加速計發(fā)出,同時與下列事件保持一致
• 在中心的電容傳感器其一或全部檢測到顯著幅度的正向增量
MCU的固件可以通過Silicon Labs Simplicity Studio開發(fā)環(huán)境提供的電容感應(yīng)固件庫實現(xiàn)所有電容感應(yīng)觸摸檢測和過濾。
低功耗功能
加 速計和MCU都能夠被配置在低功耗模式下操作。電容感應(yīng)固件庫使得EFM8SB1 MCU能夠進入~300nA的睡眠模式,并且周期性的喚醒去檢查電容傳感器上的活動事件。如果加速計發(fā)信號通知事件已經(jīng)檢測到并且數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒,那么 MCU也能夠使用端口匹配喚醒事件去異步喚醒。
EFM8SB1 MCU將保持在低功耗狀態(tài),并且僅僅消耗不到1µA電流,除非有下列情況之一發(fā)生:
觸摸檢測事件需要對電容感應(yīng)輸入監(jiān)視進行更多響應(yīng)
加速計活動事件(例如輕敲檢測或者腳步檢測中斷)需要MCU喚醒去服務(wù)這些中斷
運動通知事件,設(shè)備開關(guān)LED去鼓勵用戶站起并走動
與此同時,加速計被配置來實行最低的功耗操作狀態(tài),同時僅僅在輕敲事件或者在三軸之一檢測到變化時才發(fā)送信號。但是片上緩存數(shù)據(jù)能夠最小化MCU和加速計之間的交互次數(shù),進一步優(yōu)化電池使用壽命。
MCU從加速計讀出緩沖數(shù)據(jù)之后,一些附加的檢查和分析必須被執(zhí)行以確定是否有后續(xù)步驟。一旦三軸數(shù)據(jù)與存儲在EFM8SB1設(shè)備上的歷史數(shù)據(jù)相比較后,MCU可以更新其計步器,并且快速返回到低功率狀態(tài)。
下一步?
本示例中展示了可穿戴設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)“單一功能”類型的終端產(chǎn)品。在示例中CSP尺寸的集成電路操作所帶來的功能密度、精確度和能效也說明了如何使用和控制這類 IC。例如,在可穿戴設(shè)計中描述的產(chǎn)品可以被視為更大產(chǎn)品中的一個子系統(tǒng),其中芯片尺寸的MCU可作為低功耗傳感器集線器運行,去管理觸摸接口和加速計。 隨著硅芯片供應(yīng)商設(shè)法集成更多特性到更小封裝中,需要系統(tǒng)開發(fā)人員充分利用這些創(chuàng)新去獲得產(chǎn)品設(shè)計的靈感。