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【2015年可穿戴设备芯片供应链大起底】下一代芯片技术正...

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发表于 2015-11-27 10:33:03 |显示全部楼层

2015年对于中国的可穿戴市场来说是意义重大的一年,这一年出现了所谓“爆品”,即单品销量超过百万的智能手环。从处理器到显示器,可穿戴供应链也在飞速成熟,越来越多的供应商开始针对可穿戴设备单独开发产品线。

可穿戴设备细分化,医疗健康成最主要应用

据Berg Insights预测,可穿戴设备市场年均出货量将在2019年前达到1.7亿。随着物联网(IoT)的持续发展,可穿戴电子产品所能提供的价值也逐步增加。在可穿戴设备发展初期,智能手表是其代表性产品。此类产品不仅能够显示时间,还可以与用户周围的环境进行交互。医疗、健康领域成为可穿戴设备瞄准的首批市场,通过加速度和生物传感器,这些设备能够分析用户的运动和健康状况。

苹果的Apple watch成为代表性产品,这类产品通常运行操作系统,需要强大的处理能力和电池续航能力,并且每天都需要充电。然而可穿戴厂商逐渐发现,消费者需要的是根据不同差异化需求提供的定制化产品和服务。因此不带显示屏的运动跟踪器或腕带开始成为主流产品,此类产品的优点在于成本低、易于使用,并且电池续航能力非常长。


Silicon Labs物联网无线产品营销总监Greg Fyke表示,伴随着在固态传感器、低功耗微控制器和无线SoC领域内的持续创新,尽管可穿戴设备的外形和大小没有发生太多变化,但是其计算能力和网络连接能力正在大大加强。“穿戴式装置应用还是局限于自身个人的使用,因此使用者的新鲜感易于衰退,以致有些言论担忧穿戴式装置未来的发展性。”Greg Fyke表示,未来穿戴式装置的需求功能将只会有增无减,他认为未来的重点发展方向将是医疗监控领域,以及安全、移动支付和社交网络领域。“以往的患者可能其身体检查数据只能短暂采集,但是穿戴式装置将可长时间采集更具参考性数据来供医疗人员做更有利的判断分析。”

针对这些领域,Silicon Labs提供超低功耗MCU、生物计量传感器、光学和环境传感器以及无线连接解决方案,可应用于诸如Fitbit和Misfit等公司生产的健康跟踪器,以及像麦哲伦(Magellan)智能运动手表和英特尔(Intel)的Basis Peak手表等智能手表中。

除了医疗健康类应用,晶焱科技设计研发部经理李健铭认为定位类产品也将成为可穿戴设备的重要产品类型,儿童、老人定位装置因其安防属性具有一定的刚性需求。专注于卫星定位领域的杭州中科微导航事业部总经理李晓江表示,儿童手机,老人手机,学生卡,智能鞋,各类可穿戴tracker设备,OBD设备,车载后视镜等,是具备安全防护功能的穿戴设备必选功能。

Silicon Labs物联网无线产品营销总监Greg Fyke认为,一款成功的产品必须在价格、性能、功能、电池寿命以及吸引人的外观、感觉和表现等方面提供完美的组合,一项成功的可穿戴设计需要聚焦在它要产生的“用户体验”上,这些体验包括外观、感觉和与最终用户的交互。

“我们确实看到了用于人体运动监测和健身的可穿戴设备正在跟越来越多其它的设备进行联动。”Dialog公司产品营销经理同伟举例表示,个人身份识别成为越来越重要的差异化功能,如小米手环可以在佩戴时对手机进行解锁,未来手环产品也可以应用到门禁和银行业务。

可穿戴芯片供应链现状

随着可穿戴设备的差异化以及细分化,电池续航、传感器、定位、RF天线、人机交互、静电保护等特性成为急需解决的应用难题。

可穿戴设备硬件方案可分为两大类,对应低功耗简单功能和高功耗复杂功能。低功耗终端采用MCU为内核,运行实时操作系统(RTOS)或厂商自定义裁剪的操作系统,功能单一、功耗较低,且可能需要依附智能手机使用;高功耗复杂功能的可穿戴终端采用应用处理器(AP),运行裁剪版Android或Linux,内容较为丰富,可单独使用,但功耗和价格均较高,高通、ARM、阿里等公司看好第二类方案。

两大类方案具体可分为三种:MCU+Sensor+BT、AP+Sensor+BT/WiFi+Screen、AP+Sensor+BT/WiFi+Screen+移动通信模块。


表1:不同可穿戴方案对比图

可穿戴主芯片分为MCU和AP(应用处理器)两种,手环多采用MCU,手表多数采用AP,少数采用高性能MCU。MCU按性能从低到高分有 Cortex-M0到Cortex-M4,且ARM后续还推出较Cortex-M0更低功耗更高性能的Cortex-M0+。AP多延用手机芯片,如高通 骁龙芯片及MTK6532等,但也有针对可穿戴终端定制的芯片,如君正的JZ4775、MTK的Aster SoC等。常见可穿戴终端所使用的主芯片如下所示:

表2:主要穿戴芯片平台

以上提到的芯片平台业界已经比较常见了,但其实国产新片厂商正在迅速切入这一市场。据上海云间半导体总经理李济川介绍,云间半导体不仅仅是提供给客户能用于量产的CR800(SOC芯片),还可以提供给客户经过验证的软硬件解决方案。

据介绍,云间半导体的CR800内含自主研发处理器Bolt,基于MIPS 32位指令集。硬件支持IEEE754浮点运算,具备TLB和MMU。功耗频率比仅为同类产品的70%,但DMIPS比同类产品高50%。CR800集成度高,相对同类型芯片加入了2D加速器、LCDC、NANDC、MMC、Audio Codec等控制器,增加了内置I2C、SPI、UART、Timer、GPIO的数量。内部集成Sensor Hub,在数据采集时可以使处理器掉电,可降低功耗60mW,对比同类芯片待机功耗降低60%。

CR800采用了多级处理器架构的超低功耗架构技术,CR800集成了两颗性能差异极大的处理器,并将MCU级别的处理器作为Sensor Hub的主控模块,能够在满足穿戴式设备性能的前提下,极大的降低其在穿戴式设备常用工作场景下的功耗,满足现有支持操作系统的穿戴式设备的功耗要求。

现有穿戴式设备芯片为单一频率设计,但不是所有场景都需要其工作在最高频率。如果所有场景都工作在同样的最高频率,将会对动态功耗造成极大的浪费。为了解决这类芯片频率单一,无法降低动态功耗的问题,CR800芯片采用动态频率调整的技术方案。当系统控制处理器检测到主处理器或其自身负载为较低状态,会通过降低工作频率的方式来节省动态功耗。

李济川表示,云间的下一代可穿戴设备芯片正在研发中,相比现有的CR800芯片,会是一个双核CPU的架构,以满足未来可穿戴设备日益增长的性能需求,同时在CPU架构层面进一步降低功耗,并采用更先进的低功耗工艺,来实现性能和功耗的完美平衡。

MCU如何适应可穿戴设备的低功耗需求?

Silicon Labs IoT MCU和无线产品市场总监Mendy Ouzillou则表示,在可穿戴产品设计中,工程师必须考虑三个关键因素:各种操作模式下的功耗(节能)、从匹配电路到天线之间的适当RF设计、以及设计中器件的集成度。

Greg Fyke表示,MCU是任何嵌入式设计中的一个关键器件。对于可穿戴应用来说,选择低功耗、性能卓越的微控制器是关键。“ARM Cortex-M系列已跃居为一种领先的低功耗处理平台。Cortex-M0+是一种两级流水线架构,通过平衡一些性能效率来实现更低的工作模式电流消耗。Cortex-M3和M4则提供一种三级流水线架构,以及功耗和性能之间的良好平衡。M4处理器的单精度浮点单元和数字信号处理器(DSP)扩展可以极大地为软件算法缩短完成时间并降低能耗,如卡尔曼滤波这种用来从嘈杂的传感器数据中提取信息的算法。而智能手表则需要更先进的处理器,如M7或专用内核,它们通过平衡一些功效来实现更高的处理能力和更高带宽的内存接口。”

Greg Fyke表示,市场上可用的MCU可为长电池续航时间提供许多种低功耗优化措施。Silicon Labs为其基于ARM架构的EFM32 MCU定义了5种能耗模式:EM0(活动/运行)、EM1(休眠)、EM2(深度休眠)、EM3(停止)和EM4(关闭)。这5种模式使得设计人员能够灵活的决策和优化系统的整体功耗。据介绍,Silicon Labs的节能型32位EFM32 Gecko MCU 已被广泛地部署于可穿戴应用中。“我们也为可穿戴设备提供领先同侪的光学和生物计量传感器。随着我们最近收购了芬兰Bluetooth创新厂商Bluegiga,我们现在可以为很多需要Bluetooth连接的可穿戴应用提供理想的低功耗Bluetooth Smart模组、无线SoC和软件栈。”

TI的超低功耗MSP430微控制器同样能够极大地减少可穿戴设计中遇到的难题。这款微控制器的特点是集成了模数转换器(ADC)、分段LCD控制器以及其它组件,有助于减小可穿戴设备的尺寸并降低设备成本。同时,借助高效的电源管理以及运用低功耗软件可控模式,其优化的外设和微控制器内核能够大大减少系统功耗。最值得一提的是CC430片上系统(SoC),通过将MSP430 MCU与CC110L Sub-1 GHz射频的结合,进一步简化开发流程并减小可穿戴设备的尺寸。

电池续航以及无线充电方案

除了从处理器层面进一步降低功耗,如何解决可穿戴设备的电池续航问题,以及添加无线充电功能有助于提升用户体验。TI针对低功耗可穿戴应用所推出的微型无线接收器TI Design参考设计是一款采用了低功耗无线接收器bq51003的超小型参考设计,能够为电池充电器提供5V的直流输入电流。整套解决方案的面积还不足30平方毫米,是小巧精致型低功耗应用的理想选择。如果工程师想要设计一个直接充电的解决方案,可以用bq51050B替换bq51003,这是一款集电池充电器于一体的接收器,能够直接与电池进行连接。

针对低功耗可穿戴应用且符合Qi(WPC)标准的无线充电器TI Designs参考设计将bq51003与低功耗充电器bq25100以及纤细的10mm线圈组合在一起,所形成的整体接收无线充电解决方案能够提供高达2W的输出电流。bq25100专为可穿戴设备设计,能够帮助整个解决方案实现非常精确地充电终止电流,并且在任何时候电池的泄露电流都低于75nA。

在充电系统中还有一个不容忽视的重要元素,那就是电池电量计。可穿戴设备的电池容量通常都很小,而小型的电池需要精确控制终止充电以防止电池因过充而老化。电池电量计能够通过感测电阻器对充电电流进行更精确的监测,如此一来用户就可以更准确地了解设备的充电情况,在充满电时及时拔掉充电器,以保证电池电量更充足,使用寿命更长。TI bq27421-G1是业界功耗最低的电池电量计,仅靠一块单芯锂离子电池就可以维持运转。它的尺寸极小,只有1.6mm*1.6mm(包括集成感测电阻在内),是体积精巧型可穿戴设备的理想解决方案。同时,这款电池电量计可以切换为几种不同的模式以提供不同的电源功率,包括初始化模式、正常模式、睡眠模式、休眠模式以及关闭模式。在关闭模式下,该设备的耗电量仅600nA,与电池自放电率相比可以忽略不计。此外,TI的专利技术Impedance Track?使该电池电量计易于配置,还可以灵活选择电池组。对于那些不能精确控制终止充电的电池充电器,使用这款电池电量计可以很好弥补这一缺陷,以最大化利用小电池的电量。

如何保证传感器数据的准确性?

除了MCU外,各种CMOS传感器支撑着新的应用和新的场景。在可穿戴市场中,通常有3种主要类型的传感器:运动传感器、环境传感器和生物传感器。在产品中使用哪种传感器都需要很多权衡,光学传感器需要使用可以透光的物料。而给某些传感器供电可能需要门控,以使其不变成电池上恒定的负载,但这会增加设计的复杂度。“大多数传感技术都存在使用环境受限的缺憾,软硬件部分对使用环境要求比较固定,对于开放式的环境难以很好适应,影响了日常穿戴的体验。传感器技术能否适应日常生活的开放式使用环境,我们称之为‘传感技术的普适性难题’。”中科微导航事业部总经理李晓江表示。

云间半导体李济川则认为,类似于血压,血糖,湿度,温度,酒精含量,光照强度,紫外线强度的传感器检测精度和准确度也是可穿戴产品的核心技术和门槛。“如果本身精度就不准,那么收集上来的数据还有什么意义?”这一点,就需要考校不同传感器厂商提供的算法准确性。

图3:腕带型人体传感器

作为人体传感器“SilmeeTM”系列的最新产品,东芝在原有型号“ActibandTM”的基础上,在日本推出了新增会话量及用餐时间监测等新功能的腕带型人体传感器“Silmee W20”和“Silmee W21”。

图4:东芝“Silmee W20”和“Silmee W21”产品参数介绍

东芝迄今已推出的人体传感器“Actiband”包括记录活动量、睡眠、饮食等情况,新增的传感器将搭载会话量测量、用餐时间检测、位置信息注2、紧急联络按钮、脉搏测量、紫外线测量、皮肤温度测量等新功能,通过记录传感器获取的信息和生活日志,用户可以更好地进行自身健康管理,同时,还可以与第三方共享生活日志。不仅如此,作为面向企业用户的扩展功能,当传感器检测到身体状况异常时,还能够向已注册的对象发出紧急通知。东芝希望“Silmee”系列能够成为健康管理和监测的关键设备。同时,东芝还与日本的大学、研究机构、企业展开合作,例如与日本国立大学法人大分大学(以下称“大分大学”)合作开展的旨在探明“老年痴呆症患病机制”与人体信息、生活习惯之间因果关系的实验研究中,也将使用本产品。

可穿戴设备将逐渐采用多模定位

“定位感知,形成坐标与时间,这是物联网的基本传感参数之一,在物联网的系统中处于核心地位。在未来廉价的传感世界中,可能所有的设备,无论大小,无论穿戴与否,都需要这一基本参数。”据了解,目前中科微电提供包括“北斗+GPS+GLONASS”的多模卫星定位芯片设计方案。李晓江表示,在价位趋同的形势下,北斗+GPS的双模定位替代单GPS定位,已经成为穿戴产品定位传感的重要趋势。

中科微电子目前推出的最新定位芯片:AT6558,是在北斗办SOC项目实物比测中荣获第一名的标杆产品。主要优势包括如下几点:第一,国内第一款定位SOC单芯片,是国内北斗定位芯片的标杆产品;国内首款具备北斗+GPS+GLONASS三模联合定位的芯片,硬件支持六模;第二,最大的性能亮点是低功耗,完整定位方案在连续定位时,功耗降到23mA@3.3V,优于同类厂家的功耗,支持快速休眠与间断型热启,很好的解决了定位性能与功耗的平衡。第三,芯片封装为QFN40,大小5mmX5mm,占板面积大幅缩小,受到客户欢迎。第四,芯片的性价比十分优秀,以双模的定位性能,单GPS的价位,掀起北斗多模替换单GPS的浪潮。

“从技术对比上,原有北斗芯片的厂家中,大多数的方案功耗都还停留在50mA——90mA,与我们的功耗差距有一倍以上。国外厂家的方案功耗也大多集中在20mA-35mA之间,我们的芯片已经具备一定的优势。”李晓江表示,目前中微电的第五代单芯片研发已经启动,将重点增加北斗二代全球系统的全面支持与优化,继续降低芯片功耗,缩小尺寸,提高性价比,以真正的全球四模(BDS\GPS\GLONASS\GALILEO),打破单GPS的市场垄断地位。

如何平衡无线功能与功耗?


各种无线功能为可穿戴设备带来丰富的拓展应用,然而无线功能通常是最大的耗能大户,使用哪一种无线功能需要平衡。“决定要发出多少信息和发送频次或者可穿戴产品同步的频次能够对终端产品的电池寿命带来巨大影响,高数据使用率可限制电池寿命到几小时或几天。一种更保守的方式可能使同一款产品的电池寿命延长至几周甚至几个月。”Dialog公司产品营销经理同伟认为,由于功耗的原因,无线技术中的智能蓝牙技术已经被普遍视为可穿戴设备连接模式的理想选择。

Dialog公司产品营销经理同伟介绍了Dialog日前推出的全球首款专为可穿戴电子设备而设计的智能蓝牙(v4.2)芯片DA14680。这款超低功耗的芯片将与全托管式可穿戴电子设备相关的所有功能都包含在一个超小尺寸之内,其中包括提供几乎无限执行空间的flash内存、用于传感器控制的专用电路、为可穿戴设备而优化的模拟和数据外设以及先进的电源管理单元等等。在提供灵活、强大的处理能力的同时,更为可穿戴电子产品设计节省宝贵的空间,且降低系统成本及功耗,提高了系统可靠性。Dialog半导体公司互联、汽车与工业业务部高级副总裁兼总经理Sean McGrath表示:“凭借丰富的功能、最小的尺寸和最低功耗,DA14680还可支持其他新兴物联网应用。” 

RF天线与人机交互

对于可穿戴设备来说RF天线设计也非常重要。由于尺寸和成本限制,大多数无线可穿戴设备的天线发射特性都较差,因为它们通常简单的把天线打印在PCB板面材料上。为了补偿天线损耗或低增益,最简单方法是增加RF输出功率来获得期望的输出功率,然而这又会带来功耗的增加。更好的设计和更低的匹配电路损耗成为天线设计的一大难点。Silicon Labs提供的Si4010“片上遥控器”发射器,有集成的天线调谐电路,能够在这些时候动态的补偿天线。这种电路不仅控制功耗,而且也确保无线电辐射保持在法规限定范围之内。

最后是人机交互,可穿戴设备目前的人机交互方式以按键、触屏、投影、语音等为主。由于可穿戴设备本身体积的局限,因此需要在尽可能小屏幕上显示更多的内容。Apple Watch提出的压力触控(Force Touch)技术,首先就是专门针对小屏幕的体验。将过去只有平面2D X、Y轴的操控维度增加了一个Z轴,变成了3D Touch。它的原理是将压力敏感融入多点触控输入机制中,用户只要用力长按,就可以启动二级动作。Apple Watch的压力触控常被视为类似Mac计算机右击的功能,用以打开下一层的设备和菜单选项,如果没有这种机制,很难将这些操作融合到一个非常小的接口。

相较于Apple Watch的Force Touch 压力触控方式,Google的手势控制方案Project Soli更具有颠覆性,用户可以透过搓动手指实现控制音量大小、切换歌曲、隔空调节耳机音量等功能。这项技术是一种60GHz的毫米波技术。也就是说,无论是控制手表、平板,还是手机等设备接口,将不再受制于屏幕。不必再透过接触触控屏幕来实现触控,通过脉冲雷达波在任意空间撷取用户的手势,即可实现对设备的控制。在未来,更多的人机交互技术将在可穿戴设备上得到体现,如曲面显示、投影,语音等等交互技术将并存。如何保证这些交互技术的用户体验,以及与功耗实现平衡,也成为了一大技术挑战。

可穿戴设备静电保护不容忽视

受限于产业链的不成熟和技术瓶颈,现有的可穿戴终端仍有很多急需解决的短板,给可穿戴设备带来了更大的设计开发难度。除了电池功耗和体积外,抗噪声,抗干扰,防水,防摔及抗人体静电破坏能力也成为设计开发者所关注的难点。“在提高抗系统静电能力等可靠度相关的规格,将可以避免穿戴式装置过早损坏,除提高产品质量评价,亦降低售后返修成本”,晶焱科技设计研发部经理李健铭表示。在抗静电保护组件TVS Array拥有数十年经验的晶焱科技开发出了成高整合度,高效能保护和优异节能特性的穿戴式保护产品。  

李健铭表示,智能手表结合个人健康信息但因数据量大以及功能多导致耗电量较大,也因此会在本体预留充电及数据传输的界面。为此衍生的充电浪涌问题以及人体静电充放电问题都在困扰着开发人员。“我们主要开发针对先进电子设备所需的抗静电(ESD)防护TVS Array,和抗电气突波(EOS)的保护组件,以及抗EMI噪声滤波组件。产品特点在于利用自有IC设计技术来开发具有最低箝位电压(Clamping Voltage)特性之TVS Array,因此在系统PCB等级上的保护效能优异,并具有节约PCB空间的优点,另外针对穿戴式产品开发了低毫微(nano)静态电流的保护组件产品系列,可进一步达到穿戴式产品极力要求的节能省电目地。”

作者:李坚
来源:国际电子商情
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