如何縮短設計周期?

e絡盟亞太區技術市場經理　陳嘉偉

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如何縮短設計周期?

e絡盟亞太區技術市場經理陳嘉偉

電子工程師在設計可穿戴設備的時候往往會受到諸多限制，如功耗、重量和尺寸等，而其中對于大多數工程師來說，最為關鍵的一個設計參數便是產品上市速度，即工程師將設計概念轉化為實際可用產品的速度。越快完成這項轉化，就能越早針對系統中的重要部分以及應用進行進一步開發與優化。

絕大多數可穿戴設備都以傳感器為基礎，用以測量用戶的步數、心率、姿態等相關參數。傳感器采集的數據由單個微控制器讀取并進行基本處理和存儲，隨后進行無線輸出，通常傳輸至智能手機上，而手機則進一步將這些數據發送至云端進行處理和報告。

作為融合電子商務與在線社區的高質量電子元件與解決方案分銷商,e絡盟將從設計方法、設計模式及整個設計生態系統的視角依次對這些模塊進行分析，以尋求有助于縮短各個模塊設計用時的方法。

更快速的傳感器設計

從傳感器上獲取原始數據并將其轉化為有實際意義的信息以供使用，這絕非易事。

圖　1

所有傳感器都面臨這種難題，無論是加速計、陀螺儀、磁力計、光伏計、溫度計、壓力計還是可穿戴應用測量所使用的其他類型傳感器。工程師往往需要花費數周時間用于開發實現線性化的算法、調整傳感器偏移并逐個校準。盡管如此，仍有諸多方法來為這一進程提速。

以Microchip Technology Inc. (美國微芯科技公司)生產的一款運動協處理器Microchip SSC7150為例，它可以輕松地執行基于嵌入式應用的運動功能，工程師無需精通傳感器技術，可加速上市進程。該處理器采用小型6 mm×6 mm QFN封裝，支持9軸傳感器融和輸入，包括3D加速計、3D陀螺儀以及3D磁力計。主應用 MCU不再負責信息的收集和處理工作。與主MCU進行I2C連接后，主MCU便可從設備上直接讀取準確且已處理的位置和定位信息，從而實現更加快速的應用開發。

圖　2

采用這種設計方案時還需將單個傳感器與協處理器相連接。此外還有一種更加簡捷的設計，即將傳感器預裝在模塊之上。Microchip生產的模塊MM7150，整合了SSC7150運動協處理器、Bosch BMC150(六軸數字羅盤)和BMG160(三軸陀螺儀)。Microchip MM7150運動模塊采用單面設計，在制造過程中可輕松焊接。

更快速的MCU設計

談過了傳感器，在可穿戴應用的研發過程中，下一步就是MCU的選擇及固件的開發。

MCU用于控制應用、讀取輸入、驅動輸出以及實現不同系統模塊之間的通信。在嵌入式應用的設計流程中，軟件開發是最耗時也是最復雜的環節。大多數情況下工程師會使用C語言編程。他們需要為周邊設備編制驅動，并借助復雜的中斷例程整合各種周邊設備。此外，他們還需要開發更高水平的應用功能。通常那些運行較快的軟件其性能會更高，而軟件的開發、測試和調試往往需要經歷一個迭代過程，這都需要付出時間和努力不斷改進。

在此階段，工程師若能縮短開發時間并實現尺寸與功耗的最優化，將能夠切實推動可穿戴產品設計更快上市。市面上存在幾種方案有助于實現這一目標。Microchip以獨立于內核的外設(CIP)理念為基礎，開發了大量8位和16位MCU，這樣一來，即使是簡單的設備也能夠更加廣泛地應用于多種應用當中。配備大量智能型互聯CIP的典型設備能夠整合這些外設在無內核的情況下自主實現各類功能。由于這些功能完全依賴硬件而非軟件來實現，因此使用CIP能夠實現遠勝于傳統8位MCU的系統性能，這就有利于簡化設計流程，并縮短軟件開發周期以及由此產生的測試和調試時間。此外，CIP可免除對復雜控制系統中各功能的驗證需要。

加快無線開發

多數可穿戴應用都設有無線連接功能。某些醫療應用或其他日志應用在通過USB等工具下載收集的信息之前，可能會先直接存儲數據。但一般而言，這些應用都是以無線方式連接。有時候，工程師可能還需要支持遠距離操作的無線連接。

這種情況下，我們有多種選擇，比如遠距離無線通信(LoRa)。然而多數情況下，可穿戴技術一般通過智能手機連接至個人網絡。在這類應用中，藍牙無線技術是最普遍的無線連接方式。

藍牙無線技術讓可穿戴產品設計師能夠任意選用數十億種Bluetooth Smart Ready智能手機作為其產品主機設備。借助低功耗藍牙或Bluetooth Smart技術，應用無需經過硬件驗證便可直接連接至蘋果手機(包括iPhone 4S及其后代產品)。與傳統藍牙技術相比，這些技術可讓產品設計更快上市，同時也為應用設備能夠使用iBeacon協議提供了可能性。

就傳感器來說，一個適當的模塊便可極大地加速在設計中添加藍牙無線技術的進程。所謂適當模塊就是指RF認證、天線設計與協議棧開發等已經完成，工程師無需再為之耗費任何時間與精力。

加快云集成速度

大多數可穿戴應用需要連接到云端，這并不是一項輕松的任務。若要保證連接成功，就需要消除嵌入式設計人員與IT專業人員理念上的差異。

這兩組人員的工作處于完全不同的兩個世界。嵌入式設計人員關注字位和字節數，而IT專業人員關注的則是千兆與兆兆字節。這種差異化特點也存在于云連接嵌入式系統中的方方面面。

嵌入式工程師如何運行云應用呢？在設計過程中，他們需要綜合考慮服務器、存儲、安全性等諸多方面。慶幸的是，業內現在有許多服務可以簡化和加速云解決方案的開發。其中之一就是亞馬遜云服務(AWS)，包括亞馬遜彈性計算云服務(EC2)以及新近推出的AWS物聯網平臺。EC2服務讓用戶能夠以多種不同配置方式獲取和配置任意數量的服務器資源。AWS物聯網平臺能夠讓連接設備方便地與云應用及其他設備進行安全交互。AWS物聯網平臺還能夠支持數以億計的設備與信息，安全可靠地處理這些信息并發送到AWS端點及其他設備。藉此，設計人員無需管理任何基礎設施，便可以直接構建物聯網應用，用于收集、處理、分析連接設備生成的數據并執行相應任務。

總之，構建可穿戴應用涉及許多復雜的開發難題，但同時，也存在一些模塊、工具及生態系統能夠切實加快可穿戴應用的開發。在可穿戴應用開發方面，電子元件僅僅是更復雜系統依托的平臺，構建這個平臺并使之快速運行才是成功設計的關鍵所在。

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