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穿戴式系统设计关键任务
应用多元 基本架构不变

【作者: 姚嘉洋】2014年04月21日 星期一

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毫无疑问,穿戴式电子将是2014年科技产业所重视的议题之一。由于应用层面广泛,现阶段穿戴式电子的发展状况可用「百花齐放」来形容。从SONY在CES 2014所发表的智慧手环SmartBand SWR10,再加上先前早已发布的智慧手表SW2,又或是CASIO或是NIKE等业者所发表的穿戴式产品与Google Glass等,其实都不难发现,不论是运动品牌或是消费性电子大厂​​都对这块市场跃跃欲试。


产品即便多元 但基本架构不变

然而,因为穿戴式电子产品非常多元,在半导体元件的应用类别上也就呈现相当混乱的局面。不过,大致上,不论是哪一类的穿戴式装置,原则上都不脱:感测、处理器与无线射频这三大元件的核心组合。


就感测元件而言,大概就是以MEMS(微机电系统)元件为主;处理器方面,则是以MPU(微处理器)与MCU(微控制器)来担纲;至于无线射频则会由GPS 、蓝牙等技术来负责定位或是资料传输的工作。透过这样的组合,穿戴式电子产品就能扮演资讯传递的媒介或是产品控制助理的角色,像是音乐播放控制、生理讯号的记录与重要讯息浏览等,只要设计得宜,这类产品有助于消费者在进行运动或是其他行为的当下,提升其便利性。


而就目前已推出市场,并开始进行贩售的穿戴式装置中,观察其功能规格,蓝牙传输可以说是基本配备。像是CSR或是博通,早已针对此领域进行布局。其他像是ANT+与GPS等无线射频技术,也有一定的能见度。



图一 : 考虑到电力的问题,过往一直诉求低功耗的蓝牙技术,在这波穿戴式热潮中发挥了前所未有的影响力,尤其是要与智能型手机联机,蓝牙更是不可或缺。(Source:genynewsonline.com)
图一 : 考虑到电力的问题,过往一直诉求低功耗的蓝牙技术,在这波穿戴式热潮中发挥了前所未有的影响力,尤其是要与智能型手机联机,蓝牙更是不可或缺。(Source:genynewsonline.com)

需求不同 MCU等级也有差异

台面上较为知名的穿戴式电子产品,莫过于Google所推出的 Google Glass或是三星、SONY等推出的智慧手表有较多的讨论热度。尽管目前的产品面向十分多元,但也有不少业者表示:「厘清产品功能需求,大概就能了解所需要的半导体元件有哪些。」


以Google Glass为例,由于功能性相当丰富,所以也具备了:MEMS麦克风、微型投影元件、动作、压力与温湿度感测器等MEMS产品,同时亦有无线收发的功能在;但如果是SONY的智慧手表,由于功能性与定位不同的关系,所需要的元件自然也就有所不同。


ST(意法半导体)技术行销经理杨正廉认为,目前穿戴式电子市场应以智慧手表有较多讨论的空间,主要的原因在于有较多的产品投入市场,从Nike、EPSON到三星与SONY等都有产品推出,只是在市场定位上不甚相同。系统设计上,从ARM的M0到M4架构的MCU(微控制器)都能符合智慧手表的设计需求,端就实际的应用定位来选用不同等级的MCU。


以Nike的智慧手表为例,仅需要M3等级的MCU就足以应付,但若是三星或是SONY的产品,就必须要有MPU(微处理器)搭配M4等级的MCU来因应系统需求。杨正廉直言,采用MPU最主要的原因就是为了搭配作业系统(Operating System)像是Android等,来满足较为复杂的运作与应用,但毕竟MPU的功耗远高于MCU,再加上穿戴式电子的门槛之一就是系统功耗要处在极低的状态,若能让MCU分担MPU不必要的工作,就能让功耗下降来延长整体系统的作​​业时间。



图二: 为了要运行作业系统,MPU是必然的存在,若要分担MPU的工作负担,M4架构的MCU就相当重要了。 (Source:SONY)
图二: 为了要运行作业系统,MPU是必然的存在,若要分担MPU的工作负担,M4架构的MCU就相当重要了。 (Source:SONY)

简单应用 就应搭配简单MCU

杨正廉进一步谈到,一般来说,搭配MPU的MCU等级,大多落在M4等级的MCU身上。至于为何不用M0架构的MCU,理由在于M4与M0相较,前者的性能仍然凌驾在M0之上许多。他也指出,ST的M4 MCU本身就具有动态调整频率的能力,可以在完成工作之后自动进入休眠状态,若换成是M0 MCU,其表现恐怕就不如预期,反而会让整体系统的功耗拉高,这对系统本身来说并不是件好事。但换个情况,若是一般的运动型手表或是诉求低价策略的产品,仅需M0 MCU就可以完成系统设计。


尽管ARM架构的MCU业者们全力抢攻这波穿戴式电子商机,但不代表其他架构的MCU业者们就毫无动作可言。 EPSON技术行销处主任工程师胡​​志伟观察,采用ARM架构的MCU是运算能力相对较强的产品类别,适合较为复杂的应用。至于功能单纯的产品类型,采用较为简单架构的MCU会更适当。



图三: 不同等级的处理器架构,对应的应用也相对不同,对照于SONY SW2的复杂性,此款麦哲伦的产品就仅是采用了Silicon Lab的32位元MCU来设计系统。 (Cortex-M3)(Source:Silicon Lab)
图三: 不同等级的处理器架构,对应的应用也相对不同,对照于SONY SW2的复杂性,此款麦哲伦的产品就仅是采用了Silicon Lab的32位元MCU来设计系统。 (Cortex-M3)(Source:Silicon Lab)

以ARM目前的作法来看,全系列的处理器核心都是采用32位元架构,但有些较为简单的应用,或许采用既有的16位元架构就能满足。举例来说,有些应用产品其实只是需要资料传输的功能而已,整个系统只要有MCU搭配BT4.0低功耗版本就能完成设计,以SONY在CES 2014所展出的手环型产品来看,其实就是属于这类功能简单、外型大方的类别。



图四 : SONY在CES 2014所展出的智能手环走的是外型简单大方的路线,在功能不多的情况下,所需要MCU的性能自然也就不会太高。(Source:SONY)
图四 : SONY在CES 2014所展出的智能手环走的是外型简单大方的路线,在功能不多的情况下,所需要MCU的性能自然也就不会太高。(Source:SONY)

厂商需求多变 晶片供应商做法各异

胡志伟观察,穿戴式应用可能还是以运动类别相关领域的产品为大宗,而EPSON过去早有手表产业的相关经验,像是这类运动类型的手表产品对EPSON而言其实是相当熟悉的领域。就设计实务上,手的摆动与脚的步伐同样都可以用作跑步计算之用,但产品摆放位置的不同,演算法也会有所差异。胡志伟指出,设计者可选择已支援这类演算法的晶片及参考设计来加快开发速度,虽然某程度上失去了一点设计弹性,却也能提供一定品质的讯号精准度。


不过,杨正廉的看法则稍有不同。他会建议客户群自行建立研发团队,投入较多的研发资源来开发自有的演算法,让自已的产品与其他竞争对手形成「差异化」。但他也强调,ST虽然不会针对穿戴式电子提供参考设计,但在台湾其实早有长期配合的第三方演算法开发业者,若客户有需要就能提供适当的支援,身为晶片供应商,他们也投入大量的支援人力来因应。


在实务上,穿戴式装置的使用频率不会像智慧型手机这么高,因此晶片在休眠状态下的电流损耗表现就十分重要,胡志伟直言,至少要有「μA」的等级才有机会获得客户们的青睐。另一方面,若要专攻手表类应用,计时功能就不能进入休眠状态,但也必须要以极低功耗维持其运作;同时,若要唤醒整个系统,反应速度也要比一般用途MCU来得快才行。


应用多元 想像空间自然也大

值得一提的是,目前在诸多穿戴式电子的产品上,大多都有搭载显示功能,像是STN或是AMOLED面板等。不过,擅长电子纸领域的EPSON针对穿戴式电子也开始采取行动。 EPSON技术行销处主任工程师王声铭便谈到,电子纸显示相较于其他显示技术的优势便在于可挠式与高度省电,因此在去年就有大陆业者开始尝试将该显示技术导入手表应用。


王声铭分析,手表应用如果需要经常充电,某种程度上就失去了手表既有的方便性,若可以在不牺牲使用续航力下来丰​​富其功能性,这样子的设计才有意义。这也是为何产业界开始思考电子纸导入穿戴式电子的原因。但王声铭也不讳言,尽管电子纸拥有不少优点,但毕竟也有反应速度过慢跟仅有黑白显示的问题存在,若要导入功能相对复杂的手表产品,就不甚符合其设计需求。


除了智慧手表和眼镜,穿戴式的应用其实还有很大的想像空间。相信各位多少都有过一种经验,在出入捷运车站的时候,突然找不到悠游卡,明明悠游卡可能在包包里的某处,但就是遍寻不着。为了解决这问题,就有人将储值卡晶片从捷运卡上取出,再嵌入3D列印机印出的戒指中,如此一来,使用者戴着戒指就可以方便地进出车站。此一应用已经出现在香港的八达通上。


这类应用自然亦可被定义在穿戴式电子的范畴内,但这类应用的系统设计就相对简单许多,外观的客制化设计反倒是较为重要的部份。



图五 : 穿戴式电子的外观五花八门,在功能极为简单的情况下,发挥创意的外观设计反倒成了重要的主角,而3D打印也会是关键之一。(Source:www.3ders.org)
图五 : 穿戴式电子的外观五花八门,在功能极为简单的情况下,发挥创意的外观设计反倒成了重要的主角,而3D打印也会是关键之一。(Source:www.3ders.org)

看来穿戴式电子的浪潮已势不可免,各家大厂也正磨刀霍霍准备抢食市场商机。从现有的发展状况来看,产品的多元性,反倒让更多半导体业者们有机会在该市场发挥所长。值得关注的是,穿戴式的设计需求五花八门,而且愈来愈多的创意来自个人或新创团队。晶片业者不该再只依大客户的需求去定义新产品功能,而该设法贴近这群Startups和Makers们,从创意源头去掌握需求的脉动。


从这角度看,开放硬体会是晶片业者不该忽视的布局策略。


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