從可攜式健康和健身追蹤器到智慧手表(Smart Watch)，穿戴式產品正日益改變一般人的日常生活方式。20世紀80年代的電腦革命為資訊時代帶來了空前的個人生產爆發力。20世紀90年代筆記型電腦的出現，伴隨著網際網路的蓬勃發展，將人們由電源線和網路線的束縛中解放出來。接著，蜂巢式電話和智慧型手機(Smart Phone)的爆發性成長，又帶來了前所未有的行動性和無線連結能力。而今日的「腕上革命」伴隨著物聯網(IoT)的興起，正將「行動」推向一個全新的視野--穿戴式運算。
腕上革命正在重寫可攜式電子產品的設計歷史。本文將重點研究隱藏在用戶體驗導向(User-experience-driven)設計方法背後的思想。透過應用這些設計思想，多種成功的穿戴式產品已經上市。另外也將討論影響穿戴式產品功耗預算和計算需求的特性和功能，包括如何選擇適合產品設計需求的微控制器(MCU)。
腕上革命方興未艾
智慧型手表、活動追蹤器、穿戴式全球衛星定位系統(GPS)設備、心率監視器和智慧眼鏡是穿戴式產品的主要應用形態，根據研究機構Futuresource Consulting的統計，2013年穿戴式裝置全球銷售額約為80億美元。透過創新融合了成熟完善的功能性、簡單易用的連結性、簡潔的外觀尺寸、超低功耗處理和無線連結性，穿戴式產品正成為全新的個人電子設備配備，使人們變得更加健康，並獲得更多的資訊和更好的配備。
幾年前，雖然一些領先的智慧型手機製造商已經開始試驗性地推出基於他們現有手機產品的腕上產品，但是其相當笨重。直到2012年初，當新型公司(例如Pebble Smartwatch)繞過智慧手機製造商而推出全新的輕巧型腕上產品時，腕上革命才真正開始快速發展。這些產品使得最終使用者可以更充分地利用其已有的智慧手機。國際航電(Garmin)、三星(Samsung)、索尼(Sony)、Fitbit、麥哲倫(Magellan)和其他消費性電子設備製造商也已經推出其自己的智慧型手表(圖1)、活動追蹤器和其他穿戴式產品，並成為腕上革命的有力競爭者。
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| 圖1 在單一CR2032鈕扣電池供電條件下，麥哲倫Echo智慧型運動手表利用芯科實驗室的EFM32 Gecko微控制器延長電池壽命達11個月。 |
這種高度競爭的市場環境也鼓勵小型而彈性的新創公司推出特色創新產品，例如Misfit Shine健身追蹤器(圖2)也不斷搶占競爭對手的市占率。
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| 圖2 Misfit Shine是一款設計優雅的健身追蹤器，它實現了卓越的能效和長效的電池壽命。 |
成功的穿戴式產品必須提供合適的價格、效能、功能和電池壽命，以及獨特的外觀、觸感和作用，以便從競爭對手產品中脫穎而出。微控制器、感測器、無線電子元件和極具吸引力的使用者介面，這些都必須整合到小尺寸封裝內，並可舒適地佩戴在個人的手腕或其他地方。
由於這種外形尺寸大幅限制了供電電池置放空間，穿戴式系統必須非常節能，以便盡可能使電池更換和充電的時間間隔維持最長的運行週期。
用戶體驗導向設計為王道
要把這些不同元素融入獲得市場認可的產品中，需要一個複雜的設計折衷平衡功耗、效能、功能和外觀尺寸等參數。經由所謂的「用戶體驗導向」設計方法，一些製造商已經成功進入這個不熟悉的領域，儘管這些設計方法顛覆了許多嵌入式開發人員的傳統思維和實踐方法。
嵌入式系統的設計過程通常始於功能和效能定義，這將做為專案的主要驅動力。相反地，設計一個穿戴式產品通常始於須要獲得的最終「使用者體驗」定義。這些產品需求的定義體現在外觀、觸感和與最終用戶的互動，也包括它帶來的印象、感覺和情緒。設計過程的下一個步驟是把使用者體驗轉化成使用案例(Use Case)--用於定義產品硬體和軟體單元的一系列高階功能需求。
蘋果(Apple)是這種策略的早期實踐者之一。他們使用這種策略成功的定義了全新市場，並且一直處於領導地位。如果對於精心設計用戶體驗的重要性還心存懷疑，仔細思考一下蘋果iPod獨特的控制滾輪、寶石般的機殼設計和易於使用的iTunes軟體，如何成功協助該公司轉型，最終主宰了整個數位音樂播放機市場。
找出用戶體驗 定義使用案例
定義穿戴式產品的使用者體驗需求，可分為以下兩類：
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區別其他穿戴式產品的獨特外觀、觸感、特性和功能。 |
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輕鬆配置、直覺操作和減少維護的一系列需求。長效的電池使用壽命在易用性中非常重要，因為如果一個穿戴式產品每幾天就不得不重新充電，那將是一件令人沮喪的事情，並且容易導致使用者放棄該產品。
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同時，定義使用者體驗的這些元素能夠容易地轉換成使用案例，並構成產品設計的基礎。根據應用的不同，定義用戶體驗可能涉及到建構一個穿戴式產品實體，使其具備極具吸引力的質感、符合人體工學的外觀和傳達特定感覺的設計項目。其他產品可能須要為控制和顯示建立特別的視覺模型，使複雜的操作變得簡單和直覺。
一旦產品的使用者體驗得到明確定義，它必須被轉換成一個使用案例，案例的功能性需求將驅動穿戴式產品的設計。詳細的案例能夠提供重要資訊，它能夠更容易地為穿戴式產品設計的各個方面進行準確的比較研究。
案例應當包含穿戴式設備預計要執行的任務、需要的資源和執行的環境。這些細節通常包括設備要收集的資料類型，如何與使用者或其他設備互動，預期的運行環境(溫度、耐水性、耐衝擊性等)，操作模式(資料收集和分析、使用者互動、通訊等)，以及與其他設備進行資料同步的頻率。
有了這些指導方針，設計團隊就可以開始確定滿足應用需求的感測、計算和通訊元件。同時，物料清單(BOM)成本和功耗預算也可以與初步設計需求同時進行，為團隊提供必需的參數以便集中匯總成最佳設計方案。
能源損耗分析至關重要
因為電池的使用壽命在穿戴式設計中扮演著重要的角色，因此有必要仔細分析一下案例驅動設計過程中與能源管理相關的部分。
為了準確的模擬設計選擇如何影響穿戴式設備的電池壽命，案例應當包括影響能耗因素的詳細描述，例如裝置必須從外部環境收集的資料類型和頻率；使用者是否透過應用程式(App)、觸控式螢幕、按鍵或以上三者與設備互動。如果是，那麼通訊的資訊類型和使用的頻率如何；裝置如何與其他穿戴式設備、智慧型手機、本地網路或互聯網進行通訊。電源需求的變化依賴於所採用的無線介面如藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)或ZigBee，這是如何實現的；裝置與其同類或主機系統進行同步或交換資料的頻率如何，諸如智慧型手機的主機系統頻繁同步將顯著降低電池壽命。
一旦資訊收集完畢，案例應當提供系統各種操作模式的詳細描述和每種模式下的執行時間，這將成為系統功耗預算和為最大化電池壽命以進行任何設計折衷的基礎。
MCU選擇及最佳化
案例與能耗相關的部分應當盡可能多樣化，包括穿戴式設備執行感測、控制和計算任務的有關資訊，也包括哪些任務由微控制器執行，哪些任務由周邊執行。這將有助於選擇最適合穿戴式應用需求和開發策略的微控制器產品，充分利用微控制器節能的特性。
透過識別必須執行的軟體功能和邏輯演算法，以及其發生的頻率，使用者將能夠建構出恰當的初始估算或穿戴式應用的計算需求。假設有一個健身監視器，其微控制器透過一個多軸加速度計感應使用者的身體活動，使用一個紅外線(IR)近接感測器監視脈搏，使用其他感測器檢測溫度、濕度、血氧水平，甚至紫外線(UV)強度(圖3)。之後，微控制器必須在確定真實步數和頻率之前過濾掉摻雜在原始感測器資料內的雜訊和干擾，或者結合心率資料以區別這是特定活動類型？還是其他生物特徵輸入？
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| 圖3 健康和健身追蹤器以及其他穿戴式設備包含各類感測器，測量身體活動和其他生物特徵，例如紫外線照射強度。 |
用於現代微控制器的幾個優異的32位元處理器架構之中，安謀國際(ARM)Cortex系列32位元精簡指令集運算器(RISC)中央處理器(CPU)已經成為嵌入式設計中領先的處理器核心，這主要歸功於其高效的架構、易於擴展的指令集、大量開發工具和代碼庫。
在過去的幾年中，安謀國際已經開發出幾個系列的Cortex中央處理器，每一種都針對特殊的需求而最佳化。安謀國際Cortex-M系列處理器核心是特別針對嵌入式微控制器而開發，在這些應用中效能需求必須與能耗和低成本解決方案相適應。Cortex-M系列提供核心選項，滿足各種穿戴式設備屬性需求，包括價格、電池壽命、處理要求和顯示類型等(表1)。
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| 表1 安謀國際的Cortex-M系列是專為滿足不同的設計考量 |
在Cortex-M系列中，M3和M0+核心針對成本敏感的應用而設計，並且滿足這些應用同時所需的高效能計算、外界事件快速系統回應，以及低動態和靜態功耗。更複雜和功能強大的M4核心能夠快速完成生物監測應用中常見的計算密集型演算法。增強的指令集包括功能強大的數位訊號處理器(DSP)功能庫。M4核心的單精確度浮點運算處理器(FPU)能夠顯著的縮短執行時間、減少微控制器處於活動狀態的時間，並最大限度的降低整體能源消耗。
深度睡眠延長電池壽命
為降低穿戴式平台功耗預算中微控制器的影響，重要的是將「須要把微控制器由低功耗休眠模式中喚醒的任何任務的執行頻率和時間」最小化。因此案例應該包括微控制器上各種任務的預期發生頻率，以及它們的執行是否為事件或者計畫驅動的。
最佳化低功耗嵌入式設計的主要方式之一，是找到仍然能夠對外界事件進行足夠回應的最低休眠模式。大多數使用Cortex-M處理核心的微控制器支援多種休眠模式，以芯科實驗室(Silicon Labs)的EFM32 Gecko系列產品為例，採用標準的32位元安謀國際Cortex-M核心，結合了功耗最佳化的多種周邊和時脈架構。EFM32架構特別針對功耗敏感型應用而設計。該架構利用各種功耗模式，使得開發人員能夠為穿戴式設備提供最佳的能源效率(表2)。
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| 表2 EFM32微控制器為穿戴式應用提供的一系列功耗模式 |
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能夠以稍高的功耗代價快速返回到活動模式(通常經由中斷方式)。在這種模式中，EFM32功耗為45μA/MHz；而其他32位元微控制器通常為200微安培(μA)。 |
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保留微控制器的關鍵單元於活動模式，同時禁止高頻系統時脈和其他非必要負荷。在這種模式下，EFM32功耗低至900奈安培(nA)；而其他32位元微控制器通常為10～50微安培。
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深度休眠模式的增強版本，能夠進一步節省功耗，同時保持有限的自主的周邊活動和快速喚醒能力。在這種模式下，EFM32功耗為0.59微安培；而其他32位元微控制器通常為10?30微安培。 |
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這種「停滯」狀態保存最小的可被外界刺激觸發的喚醒功能。這種節能效率的代價是顯著增加喚醒時間。在這種模式下，EFM32功耗為20奈安培(RTC運行時是420奈安培)；而其他32位元微控制器通常為1.5微安培。 |
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這是EFM32獨特的功能，提供一個極具吸引力可替代關機模式的替代模式，保留更多關鍵功能，並且支援更快的喚醒能力。 |
智慧周邊實現智慧設計
許多微控制器都至少擁有幾個周邊用於執行週期性任務、輸入/輸出(I/O)和內部處理任務，而同時中央處理器能夠保持在它的低功耗休眠模式之一。一些微控制器也擁有自主性周邊，用以執行多種無需中央處理器干預的功能，如計數器/計時器、類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)、通用輸入輸出(GPIO)、序列收發器等。例如所有被EFM32 Gecko微控制器支援的晶片周邊都擁有自主功能，可以在一個或多個設備休眠模式上保持活動狀態。
這與那些在最低功耗模式下僅支援有限活動功能(如GPIO喚醒和RTC操作)的微控制器形成鮮明對比。
除了擁有其他微控制器所提供的計數器/計時器、類比數位轉換器、數位類比轉換器、通用輸入輸出和序列通訊單元外，EFM32微控制器系列產品的周邊集還包括：
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感應NxN網格(最多16點)內觸控板觸點和座標，無須中央處理器干預，且中央處理器可以保持在EM2能耗模式。 |
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可由記憶體透過直接記憶體存取(DMA)驅動段碼型液晶顯示器(LCD)或薄膜電晶體(TFT)顯示螢幕，無須中央處理器干預。
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可以監視警報/報警條件的臨界電壓，而無須中央處理器干預。 |
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可以在中央處理器處於EM2功耗模式下保持資料接收能力，無須喚醒中央處理器。 |
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可以與最大十六個類比感測器(包括電阻型、電感型和電容型)協同工作，構成一個自主狀態運行。 |
大部分的周邊功能包括序列通訊、計數器/計時器、類比和數位比較器、高階I/O，都由單獨的低功耗反射匯流排(Peripheral Reflex System, PRS)進行協調。從一個周邊的事件和訊號能夠做為輸入訊號，或者被其他周邊做為觸發器，以確保時序關鍵的操作並減少軟體負荷。這些先進的功能使EFM32 Gecko微控制器能夠提供優異的32位元計算效能，同時使得穿戴式產品設計具有超低功耗和更長電池壽命。
運用軟體功能最佳化能源效率
為簡化開發過程、縮短上市時間、獲得最佳能效，穿戴式產品設計者必須考慮微控制器供應商所提供的開發生態系統的有效性和易用性。為了使開發過程更加容易、快速和有效，開發人員應當使用完整、簡單易用的平台，該平台能夠為他們提供完成項目所需的一切資源，從初始概念設計到最終產品。同樣重要的是，生態系統應當提供開發人員最佳化產品功耗的輔助設計工具。
例如，芯科實驗室的Simplicity Studio開發平台包括了即時功耗配置和分析工具，是為了估算功耗、平衡效能和能效。Simplicity Studio energyAware Battery Calculator協助開發人員評估電流消耗和電池壽命。開發人員能選擇EFM32 MCU Energy Mode和電池配置，並且在編寫任何代碼之前評估功耗。energyAware Profiler(圖4)則可即時分析電流消耗，如果電流消耗太高，可以幫助開發人員識別應當被最佳化的代碼區域。
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| 圖4 Simplicity Studio energyAware Profiler的開發工具能夠幫助設計人員調整他們的穿戴式應用以最佳化能源效率 |
透過簡單觀察電流消耗的圖形輸出，開發人員可以快速地查看是否有任何功耗顯著增加。要採取進一步措施，可以按一下圖表上一個點，選定應用並顯示與電流消耗相關的C代碼行，這對於開發人員來說非常有價值。這種功能能夠幫助開發人員追蹤電流消耗中異常數值到特定代碼行，並進行最佳化。最後，這種能耗感知能力對於電池供電的穿戴式應用來說特別重要，它能夠讓開發人員了解每個毫安培(mA)數(甚至微安培數)消耗在何處。
腕上革命顛覆可攜式設計思維
為了將複雜技術和高效能元件整合至空間和功耗都受限的設計中，產品設計人員必須針對穿戴式應用需求的現狀，以及最新的設計方法具有深度的理解。智慧型手表、可攜式健身追蹤器、智慧型眼鏡和其他穿戴式計算裝置正在改變著一般人所知的與可攜式電子產品設計有關的一切。
穿戴式裝置也正在改變設計工程師的設計規則，他們必須完美地整合精密感測、計算、顯示和無線技術到成本受限、引人矚目、極小封裝的設計中，且能夠在單一可替換電池或其他受限電源供電下工作數月。新型的穿戴式運算產品正在以更快的速度出現在市場中，而每一個設計創新也都在打破一般人對於用戶體驗的預期。腕上革命，現在才剛剛開始！
(本文作者為芯科實驗室美洲區行銷總監)