在當今群雄逐鹿、競爭激烈的可穿戴市場中，獲得成功的關鍵在于差異化的產品特性和服務。制造商和服務提供商競相爭奪同樣的可穿戴“市場大餅”。成功設計可穿戴式產品是一項復雜的工程。成功的產品需要成本、性能、功能、電池使用壽命的完美組合，必須具備引人注目的外觀、感受和表現以吸引消費者。我們需要通過關注最終用戶體驗和探索使用情形，以便在可穿戴產品中集成各種不同元素并完成復雜的權衡。

　　典型的嵌入式系統通常開始于功能和能力定義，它們可說是項目的首要驅動關鍵。同樣，成功的可穿戴產品設計需求要關注于“用戶體驗”。這些需求包括可穿戴產品的外觀、感覺和與最終用戶的交互，以及它所引起的印象、感受和情緒。

　　當今有許多能夠監測健康和生物特征、跟蹤運動距離、記錄移動路線、估計能量消耗、以及來電和郵件通知的可穿戴產品，同時可以無縫的和我們的智能電話進行整合和通信。這些可穿戴產品設計非常專注用戶體驗；它們時尚、特性豐富、易用、價格適中、并且可連接到物聯網（IoT）。

　　可穿戴市場能夠分成三種產品類別，每一類別需要的設計權衡，如圖1所示：

　　●活動追蹤器：這些相對簡單的產品往往不包括LCD顯示屏。如此簡單的好處之一是這些產品是經濟的、易用、并且往往有最長的電池使用壽命。

　　●帶有小型或中型顯示器的健身帶和“超級手表”：這些可穿戴產品可能包括多種生物和環境傳感器，并且在特性/功能、電池使用壽命和成本之間選擇最佳平衡點。

　　●智能手表：這些手表大小的復雜設計占據高端市場，并且通常運行在操作系統（例如Android Wear）之上。智能手表提供特性豐富的用戶體驗，但是更多功能和處理能力消耗更多的電池電量，通常每天都需要進行充電。

　　圖1：每種類型的可穿戴產品都需要特有的設計權衡

　　可穿戴產品中的一個關鍵器件選擇是微控制器（MCU）。選擇具有出色低功耗操作的MCU是大多數可穿戴應用的關鍵所在。當今的32位架構中，ARM Cortex-M系列已成為領先的低功耗處理平臺。Cortex-M0+是2級流水線架構，在一些性能效率和低活動模式電流消耗之間進行了最佳權衡。 Cortex-M3和M4處理器提供了3級流水線，具有良好的功耗和性能平衡。M4處理器的單精度浮點單元和DSP擴展能夠為軟件算法大大縮短了執行時間和能量消耗，例如常用于從噪聲傳感器數據中提取信息的Kalman濾波算法。智能手表需要更先進的處理器（例如Cortex-M7）和專有內核，要為更高處理能力和高帶寬內存接口的一些功效進行權衡。表1總結了主要可穿戴產品類型所需的關鍵處理能力和特性需求。

　　表1：ARM Cortex-M系列滿足各類可穿戴產品需求

　　選擇合適的電池技術也是重要的設計考慮。一次性電池具有不需要任何專門充電電路的優勢；它們也有更好的能量密度并提供更多的能量容量。不足之處是它們使得機械設計變得更復雜并且限制了整體產品的易用性。可充電電池能獲得更輕薄的設計，但增加了成本和設計復雜性。無論如何選擇，可穿戴產品都需要小巧的外形，這就限制了電池的尺寸和提供的能量。可穿戴產品需要一種系統級的方案，專注于盡可能的在包括硬件和軟件在內的所有級別上減少能耗。

　　在追求更長電池使用壽命的過程中，可穿戴產品的設計師不能為能效而犧牲良好的用戶體驗。幸運的是，MCU現在已經為獲得更長電池使用壽命而在最佳性能和低功耗優化之間取得平衡。除了低功耗電流之外，快速喚醒時間也是關鍵特性之一。休眠到激活狀態的快速轉換能夠獲得更好的系統響應并減少能耗。具有靈活喚醒源、超低功耗定時器和串行接口的MCU也為設計者提供了強大的選項。更先進的MCU即使在MCU處于休眠狀態也能夠提供有效運行的外設。這種自治外設技術的典型例子是Silicon Labs的外設反射系統（Peripheral Reflex System，PRS），如圖2所示，在EFM32 Gecko MCU外設中，例如模數轉換器（ADC）和直接存儲器存取（DMA）引擎能夠自治的響應外部輸入或中斷觸發，而無需任何CPU參與。這種方法能夠設置 MCU處于休眠狀態，可以在來自傳感器的輸入超過預設定的門限之后才醒來，而不是讓MCU在活動、高功耗狀態下不停的查詢同一個傳感器。

　　圖2：通過使能MCU外設自治運行并且保持處理器內核處于休眠狀態，外設反射系統節省系統能耗

　　可穿戴產品上基于CMOS的傳感器為豐富用戶體驗提供了基礎，使能新應用和使用案例。有三種主要的可穿戴產品傳感器類別：運動傳感器、環境傳感器和生物傳感器。每種傳感器類型提供了對于最終用戶活動、環境和健康的特有的洞察。當組合起來，它們更加強大。可穿戴產品中傳感器的組合和使用需要許多權衡。光學傳感器需要使用能夠穿透光線的材料。特定傳感器的電源可能需要門控，以至于它們不會成為電池的永久負載，但是這種方法增加了設計復雜性。預期的用戶體驗、成本和使用案例最終驅動可穿戴產品中傳感器集成的最佳水平。

　　移動app是所有可穿戴解決方案的重要組成部分，而Bluetooth Smart已迅速成為連接可穿戴產品到基于iOS和Android的移動設備時的主要無線解決方案。Bluetooth Smart具有優化的低功耗運行模式。它非常適合于傳輸傳感器數據、同步用戶信息、提供空中更新支持。智能手機提供了非常靈活的用戶界面，app實現了豐富的個性化能力，這種能力無法簡單的以其他方式通過可穿戴產品單獨實現。然而，添加和使用無線連接會增加設計成本。成功的可穿戴設計需要謹慎的平衡處理。無線傳輸通常是可穿戴系統中的最高耗能者。決定消息以多大數量和多大頻率進行傳輸或者可穿戴產品與智能手機以多大頻率進行同步，對于最終產品的電池使用壽命會產生巨大的影響。高數據量的使用能夠把電池使用壽命縮短到數小時或數天。而更保守的方法也許能夠使同樣產品的壽命延長到幾個星期或幾個月。

　　可穿戴市場可能已不再處于起步階段，隨著低功耗MCU、基于CMOS傳感器和無線SoC的不斷突破，我們現在正處于可穿戴產品創新的新時代前夕。隨著可以更容易的訪問更精確傳感器驅動的最終用戶數據，可穿戴設備能夠可靠和唯一的識別用戶。從健康和活動跟蹤到安全和可靠用戶識別的轉換能夠在醫療保健、安全、移動支付和社交網絡開辟更多新機會。第一個在這些領域以適當成本獲得引人注目用戶體驗的可穿戴式產品，將成為市場的下一個大贏家。

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