从智能手表到便携式健康和健身追寻器，可穿戴设备正在日益改变着咱们日常日子的方方面面。20世纪80年代的台式电脑革新为信息时代带来了空前的个人生产力大迸发。20世纪90年代便携式核算机的呈现，与互联网的开展相一致，把咱们从电源线和网线的捆绑中解放出来。然后蜂窝电话和智能手机的爆破式添加又为咱们带来了史无前例的移动性和无线衔接才能。当今的“腕上革新”，连同物联网(IoT)的异军突起，正在把“移动”面向一个全新的高度：可穿戴核算。
腕上革新正在重写便携式电子产品的规划前史。在本文中，咱们将要点研讨躲藏在用户-体会-驱动(user-experience-driven)规划办法背面的规划思维。经过运用这些规划思维，多种成功的可穿戴产品现已面市。咱们也将评论影响可穿戴产品能耗预算和核算需求的特性和功用，包含怎么挑选适宜产品规划需求的微操控器(MCU)。
腕上革新的现状
智能手表、活动追寻器、可穿戴GPS设备、心率监督器和智能眼镜是可穿戴产品的首要运用形状，依据Futuresource Consulting的核算，2013年可穿戴设备全球销售额约为80亿美元。经过立异性的交融了老练完善的功用性、简略易用的衔接性、紧凑的外形尺度、超低功耗处理和无线衔接性，可穿戴设备正在成为全新的个人电子设备类别，协助咱们变得愈加健康，取得更多的信息和更好的配备。
几年前，虽然一些抢先的智能手机制造商现已开端试验性推出依据他们现有手机产品的腕上产品，可是它们适当粗笨。直到2012年头，当新式公司(例如Pebble Smartwatch)绕过智能手机制造商而推出全新的轻量级腕上设备时，腕上革新才实在开端快速开展。这些产品使得终究用户可以更充沛的运用他们已有的智能手机。Garmin、Samsung、Sony、Fitbit、Magellan(见图1)和其他消费类电子设备制造商也现已推出他们自己的智能手表、活动追寻器和其他可穿戴产品，然后成为腕上革新的有力竞赛者。
图1：在单块CR2032扣子电池供电条件下，Magellan Echo智能运动腕表运用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU完结电池寿数扩展到11个月
这种充沛竞赛的商场环境也鼓舞小型化的活络型草创公司推出特征立异产品，例如Misfit Shine健身追寻器(如图2所示)正在不断抢占竞赛对手的商场份额。
图2：Misfit Shine是一款规划高雅的健身追寻器，它经过选用EFM32 Gecko MCU完结杰出的能效和很长的电池寿数
一个成功的可穿戴设备有必要供给适宜的价格、功用、功用和电池寿数，以及共同的外观、触感和效果，以便从竞赛对手产品中锋芒毕露。MCU、传感器、无线电子器件和极具吸引力的用户接口，这些都有必要被装进一个小尺度封装中，然后可以舒适的佩戴在一个人的手腕或许其他地方。由于这种外形尺度极大约束了留给供电的电池所占空间，因而可穿戴体系有必要是十分节能的，以便尽或许使电池替换和充电的时刻距离坚持最长的运转周期。
用户体会驱动取胜规划
要把这些不同元素融入到取得商场认可的产品中，需求一个杂乱的规划去有所取舍的平衡功耗、功用、功用和外形尺度等参数。经过选用所谓的“用户体会驱动”规划办法，一些制造商现已成功的度过难关，进入到这个不太熟悉的范畴。虽然这些规划办法推翻了许多嵌入式开发人员的传统思维和实践办法。
嵌入式体系的规划进程一般开端于功用和功用界说，这将作为项目的尖端驱动力。相反，规划一个可穿戴产品一般开端于需求取得的终究“用户体会”界说。这些产品需求的界说体现在外观、触感和与终究用户的交互，也包含它带来的形象、感觉和心情。规划进程的下一个进程是把用户体会转化成“用例(use case)”——用于界说产品硬件和软件单元的一系列尖端功用需求。
Apple是这种战略的前期实践者之一。他们运用这种战略成功的界说了全新商场，而且一向处于抢先地位。假如你关于精心规划用户体会的重要性还心存置疑，细心考虑一下Apple iPod共同的操控滚轮、宝石般的机壳规划和易于运用的iTunes软件是怎么协助公司改变而且终究主宰了整个数字音乐播放器商场。
界说用户体会
界说可穿戴产品的用户体会需求可以归为以下两类：
●功用性——差异其他可穿戴产品的共同外观、触感、特性和功用。
●易用性——轻松设置、直观操作和减小保护的一系列需求。长电池运用寿数在易用性中具有十分重要的效果，由于假如一个可穿戴设备每几天就不得不从头充电，那将是一件令人懊丧的作业，而且简略导致用户抛弃该产品。
一起，界说用户体会的这些元素可以简略的转换成用例，然后构成产品规划的根底。依据运用的不同，界说用户体会或许涉及到结构一个可穿戴产品实体，使之具有极具吸引力的质感、契合人体工程学的外形和传达特定感觉的规划元素。其他产品或许需求为操控和显现创立特别的视觉模型，使杂乱的操作变得简略和直观。
界说用例
一旦产品的用户体会得到清晰界说，它有必要被转换成一个用例，用例的功用性需求将驱动可穿戴产品的规划。具体的用例可以供给重要信息，使得它可以更简略的为可穿戴产品规划的各个方面进行精确的比较研讨。
用例应当包含可穿戴设备估计要履行的使命、需求的资源和履行的环境。这些细节一般包含设备要搜集的数据类型，怎么与用户或其他设备交互，预期的运转环境(温度、耐水性、耐冲击性等)，操作形式(数据搜集和剖析、用户交互、通讯等)，以及与其他设备进行数据同步的频率。
有了这些指导方针，规划团队就可以开端确认满意运用需求的传感、核算和通讯组件。一起，物料清单(BOM)本钱和功耗预算也可以与初步规划需求一起进行，为团队供给必需的参数以便会集汇总成最佳规划方案。
用例辅佐进行动力管理
由于电池的运用寿数在可穿戴规划中起着如此重要的人物，因而这儿咱们有必要细心剖析一下用例驱动规划进程中与动力管理相关的部分。
为了精确的模仿规划挑选怎么影响可穿戴设备的电池寿数，用例应当包含影响能耗要素的具体描述，例如：
●备有必要从外部环境搜集的数据类型和频率。
●用户是否经过App、触摸屏、按键或以上两者与设备交互。假如是，那么通讯的信息类型和运用的频率怎么。
●设备怎么同其他可穿戴设备、智能手机、本地网络或互联网进行通讯。电源需求的改变依赖于所选用的无线接口(例如Bluetooth、Wi-Fi或ZigBee)，这是怎么完结的。
●设备与他的同类或主机体系进行同步或交流数据的频率怎么。(与比如智能手机的主机体系频频同步将明显下降电池寿数。)
一旦信息搜集结束，用例应当供给体系各种操作形式的具体描述和每种形式下的运转时刻。这将成为体系能耗预算和为最大化电池寿数而进行任何规划折中的根底。
用例辅佐进行MCU挑选和优化
用例与能耗相关的部分应当尽或许多的包含可穿戴设备履行传感、操控和核算使命的有关信息，也包含哪些使命由MCU履行，哪些使命由外设履行。这将有助于挑选最适宜可穿戴运用需求和开发战略的MCU产品，充沛运用MCU动力友爱的特性。
经过辨认有必要履行的软件功用和逻辑算法，以及它们产生的频率，你可以构建出恰当的初始预算或许可穿戴运用的核算需求。假设有一个健身监督器，它的MCU经过一个多轴加快计感运用户的身体活动，运用一个IR挨近传感器监督脉息，运用其他传感器检测温度、湿度、血氧等级，乃至紫外线(UV)强度(见图3)。然后MCU有必要在确认实在步数和频率之前过滤掉掺杂在原始传感器数据中的噪声和搅扰，或许结合心率数据以差异是特定活动类型仍是其他生物特征输入。
图3：健康和健身追寻器以及其他可穿戴设备包含各类传感器，以丈量身体活动和其他生物特征，例如UV照耀强度
在用于现代MCU的几个优异的32位处理器架构之中，ARM Cortex系列32位RISC CPU现已成为嵌入式规划中抢先的处理器内核，这首要归功于它高效的架构、易于扩展的指令集、很多开发东西和代码库。在曩昔的几年中，ARM现已创立了几个系列的Cortex CPU，每一种都针对特别的需求而优化。ARM Cortex-M系列处理器内核是特别针对嵌入式MCU而开发的，在这些运用中功用需求有必要与能耗和低本钱解决方案相适应。Cortex-M系列供给内核选项，满意各种可穿戴设备特点需求，包含价格、电池寿数、处理要求和显现类型等(见表1)。
表1：规划旨在满意多样性规划需求的ARM Cortex-M系列
在Cortex-M系列内，M3和M0+内核针对本钱灵敏的运用而规划，而且满意这些运用一起所需的高功用核算、外界事情快速体系呼应、以及低动态和静态功耗。更杂乱和功用强大的M4内核可以快速完结生物监督运用中常见的核算密集型算法。它的增强指令集包含功用强大的数字信号处理(DSP)功用库。M4内核的单精度浮点数处理单元(FPU)可以明显的缩短运转时刻、削减MCU处于活动状况的时刻，然后最大极限的下降全体动力耗费。
深度睡觉延伸电池寿数
为了下降可穿戴渠道能耗预算中MCU的影响，重要的是要将“需求把MCU从低功耗休眠形式中唤醒的任何使命的履行频率和时刻”最小化。因而用例应该包含MCU上各种使命的预期产生频率，以及它们的履行是否是事情或许方案驱动的。
优化低功耗嵌入式规划的首要办法之一是找到依然可以对外界事情进行满足呼应的最低休眠形式。大多数运用Cortex-M处理内核的MCU支撑多种休眠形式。
Silicon Labs的EFM32 Gecko系列产品选用规范的32位ARM Cortex-M内核，结合了能耗优化的多种外设和时钟架构。EFM32架构特别针对功耗灵敏型运用而规划。该架构运用各种功耗形式，使得开发人员可以为可穿戴设备供给最佳的动力功率(见表2)。
休眠/待机(Sleep/Standby)(即EFM32 MCU的EM1形式)——可以以稍高点的功耗价值快速返回到活动形式(一般经过中止办法)。这种形式中，EFM32功耗为45μA/MHz;而其他32位MCU一般为200μA。
深度休眠(Deep Sleep)(EFM32的EM2形式)——保存MCU的要害单元处于活动形式，一起制止高频体系时钟和其他非必要载荷。在这种形式下，EFM32功耗低至900nA;而其他32位MCU一般为10-50μA。
停机(Stop)(EFM32的EM3形式)——深度休眠形式的增强版别，可以进一步节约功耗，一起坚持有限的自治性外设活动和快速唤醒才能。在这种形式下，EFM32功耗为0.59μA;而其他32位MCU一般为10-30μA。
关机(Off)(EFM32的EM4或许关断形式)——这种“near-death”状况保存最小的可被外界影响触发的唤醒功用。这种节能功率的价值是明显添加唤醒时刻。在这种形式下，EFM32功耗为20nA(RTC运转时是420nA);而其他32位MCU一般为1.5μA。
后备电池形式(Backup Battery Mode)——EFM32的共同特性，供给一个可代替关机形式的极具吸引力的代替形式，保存更多要害功用，而且支撑更快的唤醒才能。
表2 ：EFM32 MCU为可穿戴运用供给的一系列功耗形式
智能外设便是智能规划
许多MCU都至少具有几个外设用于履行周期性使命、I/O和内务处理使命，而一起CPU可以坚持在它的低功耗休眠形式之一。一些MCU也具有自治性外设，用以履行多种无需CPU干涉的功用(例如计数器/定时器、ADC、DAC、GPIO、串行收发器等)。例如全部被EFM32 Gecko MCU支撑的片上外设都具有自治功用，可以在一个或多个设备休眠形式上坚持活动状况。这与那些在最低能耗形式下仅支撑有限活动功用(例如GPIO唤醒和RTC操作)的MCU构成鲜明对比。
除了具有其他MCU所供给的计数器/定时器、ADC、DAC、GPIO和串行通讯单元之外，EFM32 MCU系列产品的外设集还包含：
●电容感应操控器——感应NxN网格(最大16点)内触摸板触点和坐标，而无需CPU干涉，而且CPU可以坚持在EM2能耗形式。
●LCD驱动程序——可以从内存经过DMA驱动段码型LCD或TFT显现屏，而无需CPU干涉。
●模仿比较器——可以监督警报/报警条件的门限电压，而无需CPU干涉。
●带有DMA功用的Low Energy UART(LEUART)——可以在CPU处于EM2功耗形式下坚持数据接纳才能，无需唤醒CPU。
●Low Energy Sensor(LESENSE)接口——可以与最大16个模仿传感器(包含电阻型、电感型和%&&&&&%型)协同作业，构成一个自治状况机。
大多数外设功用的活动，包含串口通讯、计数器/定时器、模仿和数字比较器、高档I/O，都由专门的低功耗反射总线(称为Peripheral Reflex System或许PRS)进行和谐。来自一个外设的事情和信号可以作为输入信号，或许被其他外设作为触发器，然后保证时序要害的操作并削减软件负荷。这些高档特性使得EFM32 Gecko MCU可以供给优异的32位核算功用，一起使得可穿戴产品规划具有超低功耗和更长电池寿数。
最小化能耗中的软件力气
为了简化开发进程、缩短上市时刻、取得最佳能效，可穿戴产品规划者有必要考虑MCU供货商所供给的开产生态体系的有用性和易用性。为了使开发进程愈加简略、快速和有用，开发人员应当运用完好、简略易用的渠道，该渠道可以为他们供给完结项目所需的全部资源，从初始概念规划到终究产品。相同重要的是，生态体系应当供给可以使开发人员优化产品能耗的辅佐规划东西。
例如，Silicon Labs的Simplicity Studio开发渠道包含了实时能耗装备和剖析东西，是为了预算能耗、平衡功用和能效。Simplicity Studio energyAware Battery Calculator协助开发人员评价电流耗费和电池寿数。开发人员可以挑选EFM32 MCU Energy Mode和电池装备，而且在编写任何代码之前评价功耗。energyAware Profiler(见图4)实时剖析电流耗费，假如电流耗费太高，可以协助开发人员辨认应当被优化的代码区域。
图4：比如Simplicity Studio energyAware Profiler的开发东西可以协助规划人员调整他们的可穿戴运用以优化动力功率
经过简略的调查电流耗费的图形输出，开发人员可以快速检查是否有任何功耗明显添加。要采纳进一步办法，可以单击图表上一个点，选定运用并显现与电流耗费相关的C代码行，这关于开发人员来说十分有价值。这种才能可以协助开发人员追寻电流耗费中反常数值到特定代码行，并进行优化。最终，这种能耗感知才能关于电池供电的可穿戴运用来说特别要害，它可以让开发人员了解每个mA数(乃至μA数)耗费在何处。
定论
为了集成杂乱技能和高功用组件到空间和能耗都受限的规划中，为腕上革新而规划的取胜产品需求对可穿戴运用需求的现状以及最新的规划办法有深度的了解。智能手表、便携式健身追寻器、智能眼镜和其他可穿戴核算设备正在改变着咱们所知的与便携式电子产品规划有关的全部事项。
可穿戴设备也正在改变着规划工程师的规划规矩，他们有必要完美的集成精细传感、核算、显现和无线技能到本钱受限、引人入胜、超级紧凑的规划中，而且可以在单一可替换电池或其他受限电源供电下作业数月。新式的可穿戴核算产品正在以更快的速度呈现在商场中，每一个规划立异都在打破着咱们对终究用户体会的预期。腕上革新才刚刚开端!
