隨著電池供電的可穿戴設備越來越受歡迎,，可穿戴設備制造商為保持產(chǎn)品競爭力在不斷地增加更強大的功能,。對于消費者經(jīng)常使用的健身手表而言更是如此。此類設備始終處于開啟狀態(tài)，用戶不斷尋求新特性和增強的性能,。

　　然而,，增加更強大的功能通常需要改用更強大的微控制器,，以便控制和監(jiān)管手表的功能,。這樣做的弊端是會縮短電池續(xù)航時間，需要更頻繁地給電池充電,，從而影響用戶體驗,。

　　本文討論始終開啟型可穿戴設備對微控制器的獨特需求。首先說明如何配置始終開啟型可穿戴設備的微控制器,，包括低功耗模式和自主外設,。然后介紹 Texas Instruments 的 16 位微控制器和 Maxim Integrated 的 32 位微控制器，并說明如何利用這些微控制器的重要特性來促進可穿戴式設計,。

　　始終開啟型可穿戴設備對微控制器的獨特需求

　　對于可穿戴設備,，兩次充電之間的長續(xù)航時間可能是對最終用戶而言最重要的特性。在線評論可能會贊揚可穿戴產(chǎn)品的精度和特性,，但一星失望評價與五星滿意評價之間的區(qū)別可能就在于充電間隔時間。

　　除了頻繁充電的不便之外,，電池續(xù)航時間短還會造成其他嚴重影響,。鋰可充電電池會因為頻繁充電而損害總容量，使得電池長時間保持良好狀況變得更加困難,。

　　此外,，雖然用于充電的連接器通常很堅固,，但插拔速度畢竟有限，因此每次充電都會導致磨損,。

　　與其他消費類設備相比,，可穿戴電子產(chǎn)品具有不同的功耗需求，因為可穿戴設備始終處于開啟狀態(tài),，這需要微控制器必須始終通電,。通常，可穿戴電子產(chǎn)品還要進行低功耗藍牙 （BLE） 連接,，藍牙必須始終處于準備就緒狀態(tài),，并能與配對的移動設備通信。請注意,，可穿戴設備的無線連接將在本系列的第 3 部分中討論,。

　　然而，可穿戴設備雖然可以在連接可用時將其數(shù)據(jù)與移動設備同步,，但它還必須能夠在沒有移動連接時獨立工作數(shù)小時或數(shù)天,，具體取決于預期用途。

　　智能手表等可穿戴設備的主要用途除了告知時間之外,，還有持續(xù)監(jiān)控和記錄與 I2C 和 SPI 等串行端口相連的外部傳感器的輸入,。其中可能包括：用于計步器計步的專用加速度計、用于位置跟蹤和導航功能的 GPS 無線電以及心率監(jiān)測器,。雖然這些傳感器中的大多數(shù)可以由用戶個別打開和關閉,，但優(yōu)秀工程師設計的系統(tǒng)應該考慮到所有傳感器都打開的最壞情況。

　　必須持續(xù)地記錄從這些傳感器收集到的數(shù)據(jù),。在許多物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 或消費類移動設備中,，記錄的傳感器數(shù)據(jù)通常存儲在閃存或 EEPROM 等非易失性存儲器中。然而,，對閃存或 EEPROM 的寫操作會消耗相當大的電流,，致使可穿戴設備中的小電池電量快速耗盡。更好的解決方案是將傳感器數(shù)據(jù)存儲在 SRAM 中,。

　　寫入 SRAM 消耗的電流要比寫入非易失性存儲器少得多,。由于微控制器始終處于通電狀態(tài)，因此 SRAM 傳感器數(shù)據(jù)會持續(xù)得到安全的保存,，除非可穿戴設備斷電,，或者用戶未給電池充電而導致其電量耗盡。而存儲的傳感器數(shù)據(jù)以無線方式傳輸并存儲在移動設備中,，因此即使斷電,，傳感器數(shù)據(jù)也不會丟失。

　　為盡量降低微控制器的功耗，其中一個重要手段是自主外設,。具體自主程度隨微控制器產(chǎn)品系列而變化,。節(jié)省電力的另一個常見手段是：通過設置或清除電源寄存器中的某一位來禁用未使用外設的電源，并且不影響微控制器的其余部分,。

　　可穿戴設備的微控制器的低功耗模式

　　了解了始終開啟型可穿戴設備對微控制器的獨特需求之后,，必須確定低功耗模式應該做什么，包括哪些是有用的,，哪些是無用的,。

　　當然，可穿戴設備的最低功耗模式即是關機狀態(tài),。大多數(shù)可穿戴設備都是通過將軟件控制的瞬動按鈕按住規(guī)定時間來啟動和關閉的,，這可防止意外的電源定序。這種方式優(yōu)于機械開關,，后者不僅成本效益低,，而且可能被意外觸發(fā)。但是,，工程師應該假設用戶很少會關閉其設備,，因此應在兩個看似相互矛盾的假設下設計可穿戴設備：設備永遠不會被關閉，但它偶爾也會被關閉,。

　　通常,，電源管理芯片控制電池的充電，并為微控制器和傳感器的電源開啟和關斷定序,。電源管理也在本系列的第 2 部分中討論,。當電源管理芯片關斷可穿戴設備時，微控制器的主電源將斷開,，除了實時時鐘 （RTC） 的獨立電源,。這就需要微控制器能在 CPU、RAM 和大多數(shù)外設的外部電源被禁用,，只有 RTC 運行的情況下工作,。

　　當可穿戴設備關機時，讓微控制器 RTC 運行以維持正確時間是有必要的,，因此微控制器應有一個獨立的電源引腳為 RTC 持續(xù)供電,。RTC 由僅耗用幾 nA 電流的低頻 32.768 kHz 振蕩器提供時鐘。如果智能手表關機后就會失去計時功能,，會無法令用戶滿意,，因此任何禁用 RTC 的低功耗模式都不適用于可穿戴設備。

　　可以禁用 CPU 以及任何未使用的外設來保存電量,。必須始終保留 RAM 的內(nèi)容,，這使得任何禁用整個 RAM 陣列的低功耗模式也不適用于可穿戴設備。

　　配置微控制器

　　在針對可穿戴設備優(yōu)化的微控制器中，帶有鐵電隨機存取存儲器 （FRAM） 的 Texas Instruments MSP430FR2676TPTR 16 MHz 微控制器（圖 1）是其中的佼佼者之一,。它屬于 Texas Instruments MSP430FR2676 16 位 MSP430? CapTIvate? 電容式觸摸感應微控制器，包含一個能夠通過厚玻璃檢測觸摸動作的低功耗外設,?？纱┐髟O備上使用的玻璃屏必須厚實耐用，能夠經(jīng)得起平常的嚴苛使用,，因此 CapTIvate 技術很適合于帶觸摸屏的可穿戴設備,。

　　圖 1：Texas Instruments MSP430FR2676TPTR 超低功耗 16 位 FRAM 微控制器具有眾多外設，只需極少的外部元件即可控制簡單的可穿戴設備,。（圖片來源：Texas Instruments）

　　MSP430FR2676TPTR 具有 64 KB 的 Texas Instruments FRAM 程序存儲器,，與閃存微控制器相比，它能以更低的功耗實現(xiàn)更高的讀/寫性能,。該器件具有 8 KB 的 SRAM 和一整套外設,，包括 I2C、SPI 和 UART,，可用于連接傳感器,。32 x 32 硬件乘法器可加速乘法運算，降低功耗,。

　　MSP430FR2676TPTR 上的 RTC 可配置為以幾微秒到數(shù)小時的間隔喚醒微控制器,。這可用于喚醒 CPU 以執(zhí)行一些任務，例如定期處理傳感器數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到移動設備,。

　　MSP430FR2676TPTR 的振蕩器和時鐘系統(tǒng)旨在降低系統(tǒng)成本并實現(xiàn)低功耗運行,。該微控制器支持四個內(nèi)部生成的時鐘源和兩個外部高精度時鐘源。根據(jù)所選的低功耗模式和固件配置,，這些振蕩器和時鐘可以在固件控制下啟用和禁用,。為了運行外設，MSP430FR2676TPTR 提供兩個時鐘：一個運行速率與系統(tǒng)時鐘頻率一樣快的高速子系統(tǒng)主時鐘 （SMCLK） 和一個低速 40 kHz 輔助時鐘 （ACLK）,。

　　除了活動模式（CPU 及其他一切皆啟用）之外,，MSP430FR2676TPTR 還支持可配置的復雜低功耗模式。任何在 MSP430 特定低功耗模式下處于活動狀態(tài)的片載外設都可以通過固件關斷,，因而它支持定制的低功耗配置,。采用 MSP430FR2676TPTR 的可穿戴設備可使用以下低功耗模式 （LPMx）：

　　LPM0 允許運行除 CPU 外的所有單元。當自主外設需要處于活動狀態(tài)并在無 CPU 干預下全速運行時,，這種模式很有用,。

　　LPM3 禁用 CPU、高速振蕩器和 SMCLK,。所有啟用的外設皆可在省電的 40 kHz ACLK 上運行,。當可穿戴設備處于空閑狀態(tài)且沒有按下任何按鈕時，這種模式很有用。I2C 和 SPI 等串行外設可以自主運行以收集傳感器數(shù)據(jù),，而直接存儲器訪問 （DMA） 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?RAM,。RTC 可以喚醒器件來執(zhí)行任何需要的任務。

　　LPM4 關閉除 RTC 外的一切單元,。SRAM 關斷,。這種模式對于用戶關閉可穿戴設備的情況很有用。

　　MSP430FR2676TPTR 可在 1.8 至 3.6 V 電壓下工作,，適合與 3.6 V 鋰電池配合使用,。在 RTC 運行且有最少外設的情況下，微控制器的電流可以低于 5 μA,。而在主振蕩器運行時,，MSP430FR2676TPTR 消耗 135 μA/MHz（典型值）。

　　為了讓可穿戴設備實現(xiàn)更高性能,，Maxim Integrated 推出了 MAX32660GWE 32 位微控制器（圖 2）,。該器件基于帶浮點單元 （FPU） 的 Arm? Cortex?-M4 內(nèi)核。MAX32660 具有 256 KB 的閃存和 96 KB 的 SRAM,。SRAM 分為四個扇區(qū),。任何扇區(qū)都可以配置為：啟用以進行讀/寫操作；或進入輕度睡眠狀態(tài)以禁用讀/寫操作,，同時保留內(nèi)容以節(jié)省電力,；或完全禁用，以關斷該扇區(qū)的電源,。

　　圖 2：Maxim Integrated MAX32660 專為始終開啟型可穿戴電子設備而設計,。為了節(jié)省功耗，該器件僅保留了與可穿戴應用中的外部傳感器連接所需的最少外設,。（圖片來源：Maxim Integrated）

　　MAX32660 的工作頻率最高可達 96 MHz,，所有外設皆運行時功耗僅為 85 μA/MHz。為了盡量減少耗電量并縮小封裝尺寸,，它有一個用于可穿戴設備的最小外設集,，包括兩個 SPI、兩個 I2C 和兩個 UART,。

　　MAX32660 支持兩個內(nèi)部振蕩器：一個可通過固件禁用的 96 MHz 高速內(nèi)部振蕩器,，以及一個無論何種低功耗模式皆始終開啟型低功率 8 KHz 環(huán)形振蕩器。32.768 kHz 振蕩器使用外部晶振,，用于 RTC,。這三個振蕩器中的任何一個都可用于為 CPU 和外設提供時鐘。

　　任何外設都可以通過固件關斷電源,。此外,，固件也可以禁用該外設的時鐘,，節(jié)省寶貴的電量。

　　根據(jù)可穿戴設備要求,，無論在何種低功耗模式,，RTC 皆始終開啟，除非在活動模式下通過固件有意禁用,。RTC 和時鐘位于一個單獨的部分中,，稱為“始終開啟域”。該域與微控制器的其余部分隔離,，確保在發(fā)生固件故障或篡改時 RTC 不受影響。

　　除了活動模式,，MAX32660 還支持三種專為可穿戴電子設備定制的低功耗模式：

　　在休眠模式下,，CPU 處于關閉狀態(tài)，而任何已啟用的外設都可以自主運行,。當可穿戴設備處于空閑狀態(tài),，且使用 DMA 記錄和存儲傳感器數(shù)據(jù)時，這種模式會很有用,。任何活動的外設都可以將 CPU 喚醒進入活動模式,。

　　在深度休眠模式下，除了 RTC 的 32.768 kHz 時鐘外,，CPU 和外設的所有內(nèi)部時鐘都關閉,。固件可以將 96 MHz 內(nèi)部時鐘配置為在進入深度休眠模式時自動關閉。所有 RAM 內(nèi)容皆得到保留,，包括數(shù)據(jù) SRAM 和所有外設寄存器,。這對于需要軟關斷模式的可穿戴設備很有用。在這種模式下,，可穿戴設備進行斷電以節(jié)省電力,，但在恢復電源后需要重啟到斷電前的狀態(tài)。

　　后備模式是最低功耗模式,。除 RTC 外,，CPU 和所有外設的時鐘和電源都關閉。默認情況下,，SRAM 的所有電源都禁用,。當用戶關閉可穿戴設備且不保留 SRAM 內(nèi)容以節(jié)省電力時，這種模式很有用,。但是,，此模式可以選擇將四個 SRAM 扇區(qū)中的任何一個保持在輕度休眠狀態(tài)，以保留存儲器內(nèi)容,。當可穿戴設備需要通過耗費最少的額外電流來維持最低限度狀態(tài)時,，這種模式會很有用,。

　　MAX32660 需要 1.71 至 3.63 V 的電壓，故可使用 3.6 V 鋰電池,。微控制器還具有自足式電源管理單元,，由于無需外部元器件，因而減少了引腳數(shù)量,。它還支持電池電量計,，可監(jiān)視外部電池并提供電池充電狀態(tài)的準確讀數(shù)，該讀數(shù)可顯示在可穿戴設備的用戶界面上,。

　　總結

　　始終開啟型可穿戴電子設備向工程師提出了獨特的挑戰(zhàn),。即使可穿戴設備似乎已斷電，它仍然會消耗一定的電力,。但是,，如本文所述，設計人員可以為其設計增加功能和特性,，并使用可配置的低功耗模式來維護和延長電池續(xù)航時間,。

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