手表不再只是用來講述時間。智能手表通過啟用短信，電話和健康監(jiān)控，將我們的手腕變成了智能手機皮套?？纱┐髟O(shè)備是用戶“幾乎總是”佩戴的無線設(shè)備。例如，健身監(jiān)測器是一種可穿戴設(shè)備，可以通過監(jiān)測心率，運動，睡眠習(xí)慣，體溫，汗水等參數(shù)來跟蹤一個人的健康狀況。這些設(shè)備具有多個傳感器，通?？梢耘c連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備（如智能手機或PC）進(jìn)行通信。這些設(shè)備有三個主要功能：

始終開啟：由于健身監(jiān)視器持續(xù)運行，因此這些設(shè)備需要較長的電池壽命。設(shè)計可穿戴設(shè)備時的一大挑戰(zhàn)是它們耗電量大，并且通?？梢匀菁{的電池尺寸有限。

監(jiān)控活動：健身監(jiān)控器感知、處理、記錄和報告用戶活動。這包括監(jiān)控多個傳感器和執(zhí)行“傳感器融合”，其中來自多個傳感器的數(shù)據(jù)使用類似DSP的引擎進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以分析更復(fù)雜的行為，并以用戶可以理解和使用的方式跟蹤它們。

交換數(shù)據(jù)：這包括將收集和分析的信息傳達(dá)給其他設(shè)備的能力，例如向/從智能手機發(fā)送通知和警報。

圖2顯示了使用嵌入式MCU（如PSoC 6 BLE）實現(xiàn)可穿戴健身監(jiān)測器的情況。

活動監(jiān)控：計步器和卡路里計數(shù)器計算一個人走的步數(shù)，并計算燃燒的卡路里數(shù)。要檢測步驟，需要加速度計傳感器。壓力傳感器還用于測量步行/跑步時的海拔變化。大多數(shù)傳感器都有一個數(shù)字接口，通常是 I2C、SPI 或 UART。需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的過濾和處理，以計算步數(shù)、海拔、燃燒的卡路里等值。這些傳感器還用于實現(xiàn)低功耗系統(tǒng)功能，例如在檢測到運動時喚醒整個系統(tǒng)，以便執(zhí)行實時分析。為了支持可穿戴設(shè)備可能需要的多個傳感器，嵌入式MCU將需要幾個數(shù)字接口。理想情況下，這些接口可以在 I2C、SPI 和 UART 之間進(jìn)行配置，為開發(fā)人員提供最大的傳感器選擇和實現(xiàn)靈活性。此外，嵌入式MCU需要支持雙核架構(gòu)，其中MCU能夠執(zhí)行傳感器融合和復(fù)雜分析，低功耗MCU用于執(zhí)行運動喚醒等系統(tǒng)任務(wù)。

環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)視器可能還需要收集環(huán)境數(shù)據(jù)，例如紫外線暴露測量值、環(huán)境溫度、大氣壓力、指南針航向等。

全球定位系統(tǒng)： GPS傳感器通常是帶有UART接口的數(shù)字傳感器。GPS 傳感器提供位置（緯度和經(jīng)度）、速度和高度信息。

音頻：在通過無線鏈路傳輸音頻數(shù)據(jù)之前，數(shù)字域中的音頻信號處理是任何音頻系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)據(jù)通常使用基于 PDM 麥克風(fēng)的聲音計收集，然后對其進(jìn)行測量、過濾和/或壓縮。具有集成DSP功能和音頻功能的嵌入式MCU可以大大簡化高質(zhì)量、不間斷聲學(xué)音頻子系統(tǒng)的設(shè)計。

安全：可穿戴設(shè)備需要能夠跟上不斷變化的安全協(xié)議和措施。具有安全啟動功能的嵌入式MCU可確保可穿戴設(shè)備僅執(zhí)行經(jīng)過身份驗證的代碼。此外，設(shè)備可以支持無線 （OTA） 更新，以使更新對用戶透明。

用戶界面：今天的用戶已經(jīng)習(xí)慣了使用按鈕、滑塊和接近感應(yīng)的觸摸顯示器。嵌入式MCU還可以支持不同的輸出類型，可以支持各種顯示技術(shù)，如Eink，OLED等。

無線連接：設(shè)備需要支持低功耗藍(lán)牙 （BLE） 連接，并為可穿戴設(shè)備操作提供必要的服務(wù)。

支持所有這些功能需要全面的固件流程（請參閱圖 3）。支持可穿戴設(shè)備應(yīng)用的制造商可以提供完整的庫，以加速開發(fā)并降低整體設(shè)計投資。

任務(wù)架構(gòu)

在任何可穿戴設(shè)計中，都有三個關(guān)鍵任務(wù)：

獲取數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)

與用戶通信 – 輸入和輸出（顯示）

通常，傳感器采集需要比其他任務(wù)更高的處理器操作速率，因為此類處理包括運行在大樣本基底上的濾波器。因此，使用低功耗內(nèi)核（如 Arm Cortex-M0+）執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)采集更具能效。處理傳感器數(shù)據(jù)取決于所用算法的復(fù)雜性，開發(fā)人員必須在功耗效率和處理速度之間做出權(quán)衡。對于光處理，可以使用用于采集傳感器數(shù)據(jù)的相同低功耗內(nèi)核。但是，為了獲得更多的實時操作，需要更高性能的處理器，例如Arm Cortex M3 / M4內(nèi)核。當(dāng)涉及到簡單的可穿戴顯示器和輸入時，用戶界面通常是一個輕量級的過程，可以由任一內(nèi)核處理，但理想情況下是在低功耗內(nèi)核上實現(xiàn)的。因此，為了在低功耗可穿戴設(shè)備中實現(xiàn)最佳性能，需要雙核架構(gòu)。請注意，可以利用雙核架構(gòu)來流水線化固件框架，通過加快任務(wù)完成速度來提高響應(yīng)能力，并通過在內(nèi)核之間共享資源（如時鐘、RAM、Flash 等）來減少資源和功耗。

低功耗處理器（如 Cortex M0+）運行一個簡單的任務(wù)調(diào)度程序，用于處理頻繁的低帶寬任務(wù)，例如：

傳感器數(shù)據(jù)采集

電容感應(yīng)掃描和處理

BLE 鏈路層控制器，用于維護(hù) BLE 連接和通告

系統(tǒng)管理，包括安全任務(wù)和傳感器控制

高性能處理器（如 Cortex M4）可用作運行 RTOS 的應(yīng)用處理器，并處理處理器密集型應(yīng)用級任務(wù)，例如：

傳感器數(shù)據(jù)處理（即方向計算、高度計算等）

顯示圖形，如繪圖文本、圖像、形狀等。

完整的指紋處理，包括匹配和注冊算法

BLE 主機層任務(wù)，包括所有服務(wù)、配置文件和連接身份驗證

由于共享內(nèi)存和內(nèi)核之間的快速處理器間通信（IPC）通道橋接，與讓兩個設(shè)備進(jìn)行外部通信相比，通信延遲幾乎不存在。

低功耗核心任務(wù)架構(gòu)

在高級別上，低功耗內(nèi)核執(zhí)行兩種類型的任務(wù) - 級別 1：在每個周期中執(zhí)行的定期任務(wù)和級別 2：周期性但每 ‘n’ 個周期（n = 任務(wù)周期/每個周期持續(xù)時間）執(zhí)行一次的時隙任務(wù)。定時器可用于產(chǎn)生中斷以指示周期的開始，例如每10 ms（100 Hz）。級別 1 任務(wù)在中斷事件上逐個執(zhí)行。時隙變量可以每次中斷遞增并傳遞到2級任務(wù)管理器。根據(jù)插槽號，將執(zhí)行相應(yīng)的 2 級任務(wù)。

表 1 提供了可在低功耗內(nèi)核中實現(xiàn)的各種任務(wù)的示例。

桌子 1. 低功耗核心任務(wù)

在完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)或需要與高性能內(nèi)核上運行的其他任務(wù)通信的任何事件（如檢測到手勢）時，將形成消息數(shù)據(jù)包并通過IPC發(fā)送到高性能內(nèi)核。在高性能內(nèi)核上引發(fā)中斷，處理消息數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)貍鬟f給在高性能內(nèi)核上執(zhí)行的預(yù)期任務(wù)。

高性能核心任務(wù)架構(gòu)

高性能內(nèi)核使用實時操作系統(tǒng)來管理 BLE、運動感應(yīng)、顯示更新、GPS、壓力/溫度、紫外線和指紋檢測等任務(wù)。除了BLE、運動感應(yīng)和指紋檢測之外，其他任務(wù)都在等待來自低功耗內(nèi)核的數(shù)據(jù)。

BLE 任務(wù)可以定期運行（每個連接間隔運行一次）。完成后，任務(wù)將自行掛起，直到下一次所需的喚醒。

運動感應(yīng)任務(wù)可以是非周期性任務(wù)，每當(dāng)運動傳感器本身引起中斷時就會運行。像Invensense MPU9255這樣的運動傳感器包括一個數(shù)字運動處理器（DMP），該處理器在片上FIFO上收集數(shù)據(jù)，并以預(yù)配置的速率中斷高性能內(nèi)核。中斷時，運動傳感器任務(wù)通過SPI接口讀取運動傳感器中的FIFO，并處理數(shù)據(jù)以計算方向，步數(shù)，燃燒的卡路里等。

指紋檢測任務(wù)可以是非周期性任務(wù)，每當(dāng)用戶注冊、驗證或刪除指紋時都會運行。當(dāng)注冊用戶指紋且顯示屏鎖定時，此任務(wù)也會運行。已注冊的用戶指紋可用于解鎖和保護(hù)可穿戴設(shè)備。

顯示任務(wù)也可以是非周期性任務(wù)，每當(dāng)需要在屏幕上更新數(shù)據(jù)（即傳感器數(shù)據(jù)、時間、電池和其他任務(wù)的BLE通知）或從低功耗內(nèi)核報告電容感應(yīng)手勢事件時，都會運行。

GPS、壓力/溫度和 UV 任務(wù)可以是偽周期性任務(wù)，因為它們不會定期掛起和喚醒。相反，任務(wù)喚醒是在低功耗內(nèi)核從相應(yīng)的傳感器收集數(shù)據(jù)后觸發(fā)的。由于低功耗內(nèi)核中的數(shù)據(jù)收集速率是周期性的，因此這些任務(wù)可以在高性能內(nèi)核上定期執(zhí)行。

表 2 顯示了高性能內(nèi)核管理的任務(wù)示例。

桌子 2. 高性能核心任務(wù)

處理器間通信架構(gòu)

同時運行的兩個內(nèi)核需要一種機制來保護(hù)共享數(shù)據(jù)和通信，以同步固件中的任務(wù)。雙核架構(gòu)需要支持多種IPC機制，如IPC鎖定、消息傳遞和中斷/通知。任務(wù)代碼可以使用 IPC 鎖定功能來保護(hù)共享數(shù)據(jù)和 IPC 消息傳遞，以便在內(nèi)核之間交換通知和數(shù)據(jù)。

IPC鎖：每當(dāng)訪問共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時，訪問核心/任務(wù)都會嘗試獲取與數(shù)據(jù)相對應(yīng)的鎖。如果鎖是空閑的，則向核心/任務(wù)授予對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限。更新/處理完成后，任務(wù)可以釋放鎖，以將數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限授予其他掛起的任務(wù)。這可以保護(hù)數(shù)據(jù)不被多個嘗試同時更新/使用數(shù)據(jù)的源損壞。

IPC 消息：除了保護(hù)共享數(shù)據(jù)外，還需要一種通信方式來同步內(nèi)核之間的任務(wù)。這可以通過在內(nèi)核之間傳遞的“命令和參數(shù)”消息包來實現(xiàn)。每當(dāng)一個內(nèi)核希望另一個內(nèi)核執(zhí)行操作時，它就會將具有任何必需參數(shù)的操作/命令 ID 打包到消息中，并通過 IPC 傳遞消息。消息數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備就緒后，內(nèi)核會在另一個內(nèi)核上觸發(fā) IPC 中斷，在該內(nèi)核中解析命令，然后對其執(zhí)行操作。

審核編輯：郭婷