如何配置始終開啟型可穿戴設備的微控制器

　　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品競爭力在不斷地增加更強大的功能。對于消費者經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，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，以便控制和監管手表的功能。這樣做的弊端是會縮短電池續航時間，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，這需要微控制器必須始終通電。通常，可穿戴電子產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，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據與移動設備同步，但它還必須能夠在沒有移動連接時獨立工作數小時或數天，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，還有持續監控和記錄與 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 無線電以及心率監測器。雖然這些傳感器中的大多數可以由用戶個別打開和關閉，但優秀工程師設計的系統應該考慮到所有傳感器都打開的最壞情況。

　　必須持續地記錄從這些傳感器收集到的數據。在許多物聯網 （IoT） 或消費類移動設備中，記錄的傳感器數據通常存儲在閃存或 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據存儲在 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，因此 SRAM 傳感器數據會持續得到安全的保存，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。而存儲的傳感器數據以無線方式傳輸并存儲在移動設備中，因此即使斷電，傳感器數據也不會丟失。

　　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品系列而變化。節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。大多數可穿戴設備都是通過將軟件控制的瞬動按鈕按住規定時間來啟動和關閉的，這可防止意外的電源定序。這種方式優于機械開關，后者不僅成本效益低，而且可能被意外觸發。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小時的間隔喚醒微控制器。這可用于喚醒 CPU 以執行一些任務，例如定期處理傳感器數據和將數據無線發送到移動設備。

　　MSP430FR2676TPTR 的振蕩器和時鐘系統旨在降低系統成本并實現低功耗運行。該微控制器支持四個內部生成的時鐘源和兩個外部高精度時鐘源。根據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時鐘頻率一樣快的高速子系統主時鐘 （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據，而直接存儲器訪問 （DMA） 將數據傳輸到 RAM。RTC 可以喚醒器件來執行任何需要的任務。

　　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 內核。MAX32660 具有 256 KB 的閃存和 96 KB 的 SRAM。SRAM 分為四個扇區。任何扇區都可以配置為：啟用以進行讀/寫操作；或進入輕度睡眠狀態以禁用讀/寫操作，同時保留內容以節省電力；或完全禁用，以關斷該扇區的電源。

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 支持兩個內部振蕩器：一個可通過固件禁用的 96 MHz 高速內部振蕩器，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，節省寶貴的電量。

　　根據可穿戴設備要求，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，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，且使用 DMA 記錄和存儲傳感器數據時，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 和外設的所有內部時鐘都關閉。固件可以將 96 MHz 內部時鐘配置為在進入深度休眠模式時自動關閉。所有 RAM 內容皆得到保留，包括數據 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省電力，但在恢復電源后需要重啟到斷電前的狀態。

　　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 內容以節省電力時，這種模式很有用。但是，此模式可以選擇將四個 SRAM 扇區中的任何一個保持在輕度休眠狀態，以保留存儲器內容。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，因而減少了引腳數量。它還支持電池電量計，可監視外部電池并提供電池充電狀態的準確讀數，該讀數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。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航時間。