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点亮可穿戴光环的半导体技术

发布时间:2018-07-17 01:08:00 文章来源:未来智库    
    即使在严寒的冬季,可穿戴技术的热度依然不减。它已经成为了电子技术的未来明珠。在由《今日电子》杂志和21IC中国电子网举办的可穿戴设备半导体设计技术论坛上,来自一线半导体厂商的代表和行业专家与期望在这个新兴行业大展身手的听众一起,共同探讨了怎样用半导体技术构筑可穿戴技术的广阔空间。
    中国软件行业协会嵌入式系统分会副理事长何小庆老师为论坛做了开场演讲。他认为,“穿戴设备是互联网和物联网的延伸,是计算的革命,未来将改变我们的生活方式。”
    何小庆老师将可穿戴设备的发展归结为IT技术发展的第三波浪潮,其发展速度已经大幅超过了传统P C和智能手机的发展速度。尤其是2014年,已经成为了可穿戴技术发展历史上不平凡的一年。从年初CES上的无限风光,到年中各大卖场的少人问津,再到年底的黑色星期五抢购潮,可穿戴技术历经动荡后更显无限生机。根据市场公司的预测,2014年的智能手表发货量将达到800万个,到2015年则会超过2300万个。
    “可穿戴设备是一个典型的嵌入式系统,由嵌入式处理器加传感器和射频组成”,何小庆老师指出,基于ARMCortex M3的MCU是穿戴设备主流处理器,蓝牙4.0(BLE)是主要采用的无线协议技术。在当前的可穿戴设备设计中,降低芯片的功耗是设计首要难点。目前采取的方法多为让处理器快速执行命令,快速睡眠,再快速唤醒。另一个重点在于保证传感器采样的实时性、数据完整性和低功耗平衡,还要不断改进生物传感器技术。此外,人机交互方式、充电方式,工业设计,都需要进一步提升。
    在最后,何老师给出对可穿戴行业的发展给出建议,
    “可穿戴设备是科技与商业的结合,获得商业成功很难,大家要有耐心。”
    在何小庆老师的演讲结束后,来自半导体厂商的代表开始登台,展示各自的解决方案。
    首先是意法半导体公司,其在可穿戴设备刚兴起的时候就进入了这个市场,现在更是在着重打造可穿戴生态圈。意法公司认为完善的生态环境是半导体公司取胜的基石,因此力推涵盖方案提供、方案制造和服务提供的闭环生态系统。由于其产品线非常宽广,因此能提供完整的可穿戴产品解决方案。以智能手表为例,ST退出了以STM32单片机为中心,外围配以蓝牙模块、加速度计和陀螺仪等各种传感器,还有充电管理器和电池管理器的解决方案。作为核心的STM32单片机,根据片上闪存的大小,可分为主流、超低功耗和超高性能,现已应用在智能手表,智能手环、空气果等多个产品中。在传感器方面,意法半导体的产品种类不但广泛,而且针对睡眠监测、医疗健康、运动监测、手势识别、惯性导航等专项应用都开发了各自的算法。最近,意法半导体还推出了光电式心率检测的集成解决方案,大幅降低了系统开发成本。
    为了便于工程师开发,意法半导体还提供可穿戴应用参考设计的原理图、PCB文件、源代码;并且,还有验证过的原型机和开发板,方便工程师进行快速的开发。
    模拟混合信号厂商Silicon Labs对可穿戴设备的设计细节更为关心。其认为产品差异化是产品胜出的关键。而差异化就包括了工业设计和人机界面、传感器的使用、可用性和增值服务等要素,因而就要在产品特点、电池寿命、成本和设备大小方面进行权衡。电池寿命是可穿戴产品能否成功的最重要因素,其中,选择正确的MCU又对电池寿命起着决定性作用。Silicon labs的EFM32单片机,因为采用了ARMCortex-M3内核,具有极低的工作电流和休眠电流,可大幅延长电池寿命;并且,EFM32还具有外设反射系统,可以根据时钟命令来直接唤醒传感器进行采样,无须处理器内核启动,提高了能耗使用性。
    传感器是产品功能多样化的灵魂,Silicon labs可提供多种有特色的传感器,如单芯片数字紫外线指数传感器Sill 32,还有心率和血氧传感器Sil14x,它们能提供丰富的功能组合。像Sil1 32就能提供实时和累积的紫外线光照信息,加之整合的环境光传感器,适合健身健康应用。而Sil14x除了有与Sil132相同的功能外,还支持心率和血氧测量。
    最后一点,可穿戴产品的通信功能是必不可少的,Silicon labs可提供支持智能蓝牙的产品,可大幅降低传输能耗。
    综合以上产品,加之以SimplicityStudio开发平台,Silicon labs为开发者提供了一个通用便捷的开发平台。
    除了这些国际芯片大厂,来自国内的芯片公司也开始在可穿戴领域崭露头角,光聚科技就是其中的代表。他们对可穿戴产品有着独特的认识,“很多可穿戴式产品还仅仅是可以穿戴而非想要穿戴,对于用户来说,功能和设计都缺乏刚性需求”。光聚科技眼中的刚性需求就是便携式医疗。对于中国千百万的家庭来说,这将是一个意义重大的应用。根据艾媒咨询(iMediaResearch)数据显示,2012年中国可穿戴便携移动医疗设备市场销售规模达到4.2亿元,预计到201 5年这一市场规模将超过10亿元。
    光聚科技预计柔性传感器和可植入技术将是未来可穿戴医疗产品的重要推手。在植入式医疗关键技术的研究方面,光聚科技已经研制了以金、铂、钛等多种材料为导体,二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、聚对二甲苯为绝缘材料等多种结构和型号的植入器件。
    虽成立时间不长,但光聚科技已经成为了亚太地区唯一一家医疗级设备芯片供应商。针对移动健康(穿戴式)应用的SOC处理芯片WT01是其今年推出的最新产品。该产品具有单通道(最高支持8通道)高速500SPS、16bit ADC采集;200μ超低功耗;3mm×3mm超小封装等特点。由于采用了国麻省理工学院提供的MIT-BIH数据库,WT01可以精确解析48种ECG样本。同时,运用上文提到的可植入器件,光聚科技还推出了动态血糖仪。这种产品一经植入患者皮肤,可连续监测3~5天,完全掌控血糖波动趋势。
    从本届论坛上所展示的方案来看,国际厂商在产品的完整性和性能上都占有优势,但国内厂商也在奋起直追,由于更接近国内的消费者,他们往往能以很好的切入点进入市场。同时,在性能方面,国内产品的进步也非常快,有些特性已经能比肩国际大厂了。可以预期,在明年的论坛上,还会有更多的尖端技术会展示给大家。
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