在本系列文章的第一部分中，我們介紹了物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)趨勢(shì)、智能家居和可穿戴應(yīng)用的相關(guān)性，并展示了智能家居門(mén)鎖控制器的示例實(shí)現(xiàn)。在第二部分中，我們將探討可穿戴設(shè)備應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。

手表不再只是為了報(bào)時(shí)。智能手表通過(guò)啟用短信、電話和健康監(jiān)測(cè)，將我們的手腕變成了智能手機(jī)皮套?？纱┐髟O(shè)備是用戶“幾乎總是”佩戴的無(wú)線設(shè)備。例如，健身監(jiān)測(cè)器是一種可穿戴設(shè)備，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)心率、運(yùn)動(dòng)、睡眠習(xí)慣、體溫、汗水等參數(shù)來(lái)跟蹤一個(gè)人的健康狀況。這些設(shè)備具有多個(gè)傳感器，通?？梢耘c連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備（如智能手機(jī)或PC）進(jìn)行通信。這些設(shè)備具有三個(gè)主要功能：

始終開(kāi)啟：由于健身監(jiān)測(cè)器連續(xù)運(yùn)行，因此這些設(shè)備需要較長(zhǎng)的電池壽命。設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備時(shí)的最大挑戰(zhàn)之一是它們耗電，并且通?？梢匀菁{的電池尺寸有限。

監(jiān)控活動(dòng)：健身監(jiān)測(cè)器感知、處理、記錄和報(bào)告用戶活動(dòng)。這包括監(jiān)控多個(gè)傳感器和執(zhí)行“傳感器融合”，其中來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)使用類(lèi)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(jī)發(fā)送通知和警報(bào)。

圖 2 顯示了使用嵌入式 MCU（如PSoC 6 BLE）實(shí)現(xiàn)可穿戴健身監(jiān)視器的過(guò)程。

活動(dòng)監(jiān)控：計(jì)步器和卡路里計(jì)數(shù)器計(jì)算一個(gè)人的步數(shù)并計(jì)算燃燒的卡路里數(shù)。為了檢測(cè)步長(zhǎng)，需要使用加速度計(jì)傳感器。壓力傳感器還用于測(cè)量步行/跑步時(shí)的海拔變化。大多數(shù)傳感器具有數(shù)字接口，通常為 I2C、SPI 或 UART。需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的過(guò)濾和處理，以計(jì)算步數(shù)、海拔高度、燃燒的卡路里等值。這些傳感器還用于實(shí)現(xiàn)低功耗系統(tǒng)功能，例如在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)喚醒整個(gè)系統(tǒng)，以便執(zhí)行實(shí)時(shí)分析。為了支持可穿戴設(shè)備可能需要的多個(gè)傳感器，嵌入式MCU將需要多個(gè)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(kāi)發(fā)人員提供最大的傳感器選擇和實(shí)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(yùn)動(dòng)喚醒等系統(tǒng)任務(wù)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)儀可能還需要收集環(huán)境數(shù)據(jù)，例如紫外線暴露測(cè)量、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：在音頻數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸之前，數(shù)字域中的音頻信號(hào)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)的聲級(jí)計(jì)收集，然后進(jìn)行測(cè)量、過(guò)濾和/或壓縮。集成了DSP功能和音頻功能的嵌入式MCU可以大大簡(jiǎn)化高質(zhì)量、不間斷聲學(xué)音頻子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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(dòng)功能的嵌入式MCU可確?？纱┐髟O(shè)備僅執(zhí)行經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的代碼。此外，設(shè)備可以支持無(wú)線 （OTA） 更新，以使更新對(duì)用戶透明。

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

無(wú)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)備運(yùn)行提供必要的服務(wù)。

支持所有這些功能需要全面的固件流程（參見(jiàn)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(kù)，從而加速開(kāi)發(fā)并降低整體設(shè)計(jì)投資。

任務(wù)體系結(jié)構(gòu)

在任何可穿戴設(shè)計(jì)中，都有三項(xiàng)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，傳感器采集比其他任務(wù)需要更高的處理器操作速率，因?yàn)榇祟?lèi)處理包括在大型樣本基上運(yùn)行的濾波器。因此，使用低功耗內(nèi)核（如 Arm Cortex-M0+）執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)采集更節(jié)能。處理傳感器數(shù)據(jù)取決于所用算法的復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)人員必須在能效和處理速度之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)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，對(duì)于更實(shí)時(shí)的操作，需要更高性能的處理器，例如Arm Cortex M3 / M4內(nèi)核。用戶界面，在涉及簡(jiǎn)單的可穿戴顯示器和輸入時(shí)通常是一個(gè)輕量級(jí)的過(guò)程，可以由任一內(nèi)核處理，但理想情況下在低功耗內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)。因此，為了在低功耗可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)最佳性能，需要雙核架構(gòu)。請(qǐng)注意，可以利用雙核架構(gòu)對(duì)固件框架進(jìn)行流水線，通過(guò)加快任務(wù)完成速度來(lái)提高響應(yīng)能力，并通過(guò)在內(nèi)核之間共享時(shí)鐘、RAM、閃存等資源來(lái)降低資源和功耗。

低功耗處理器（如 Cortex M0+）運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度程序，可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

維護(hù)BLE連接和通告的BLE鏈路層控制器

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）用作運(yùn)行 RTOS 并處理處理器密集型應(yīng)用級(jí)任務(wù)的應(yīng)用處理器，例如：

傳感器數(shù)據(jù)處理（即方向計(jì)算、高度計(jì)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(cè)算法

BLE 主機(jī)層任務(wù)，包括所有服務(wù)、配置文件和連接身份驗(yàn)證

通過(guò)內(nèi)核之間的共享內(nèi)存和快速處理器間通信 （IPC） 通道橋接，與兩個(gè)設(shè)備在外部通信相比，通信延遲幾乎不存在。

低功耗核心任務(wù)架構(gòu)

在高級(jí)別上，低功耗內(nèi)核執(zhí)行兩種類(lèi)型的任務(wù) - 級(jí)別 1：在每個(gè)周期中執(zhí)行的周期性任務(wù)和級(jí)別 2：周期性但每“n”個(gè)周期執(zhí)行一次的時(shí)隙任務(wù)（n = 任務(wù)的周期/每個(gè)周期持續(xù)時(shí)間）。定時(shí)器可用于生成中斷以指示周期的開(kāi)始，例如每 10 毫秒 （100 Hz）。級(jí)別 1 任務(wù)在中斷事件上逐個(gè)執(zhí)行。時(shí)隙變量可以在每個(gè)中斷時(shí)遞增并傳遞給 2 級(jí)任務(wù)管理器。根據(jù)插槽編號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的 2 級(jí)任務(wù)。

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

桌子1. 低功耗核心任務(wù)

在數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成或需要與高性能核心上運(yùn)行的其他任務(wù)通信的任何事件（如手勢(shì)被檢測(cè)到）時(shí)，將形成一個(gè)消息數(shù)據(jù)包并通過(guò)IPC發(fā)送到高性能核心。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到在高性能內(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 RTOS 來(lái)管理 BLE、運(yùn)動(dòng)傳感、顯示更新、GPS、壓力/溫度、UV 和指紋檢測(cè)等任務(wù)。除了 BLE、運(yùn)動(dòng)傳感和指紋檢測(cè)外，其他任務(wù)都等待來(lái)自低功耗內(nèi)核的數(shù)據(jù)。

BLE任務(wù)可以定期運(yùn)行（每個(gè)連接間隔一次）。完成后，任務(wù)將自行掛起，直到下一次需要喚醒。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)任務(wù)可以是非周期性任務(wù)，每當(dāng)運(yùn)動(dòng)傳感器本身引發(fā)中斷時(shí)都會(huì)運(yùn)行。像Invensense MPU9255這樣的運(yùn)動(dòng)傳感器包括一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)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(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器任務(wù)通過(guò)SPI接口讀取運(yùn)動(dòng)傳感器中的FIFO，并處理數(shù)據(jù)以計(jì)算方向、步數(shù)、燃燒的卡路里等。

指紋檢測(cè)任務(wù)可以是非定期任務(wù)，每當(dāng)用戶注冊(cè)、驗(yàn)證或刪除指紋時(shí)都會(huì)運(yùn)行。注冊(cè)用戶指紋并鎖定顯示時(shí)，也會(huì)運(yùn)行此任務(wù)。已注冊(cè)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(shí)間、電池和來(lái)自其他任務(wù)的BLE通知）或從低功耗內(nèi)核報(bào)告電容感應(yīng)手勢(shì)事件時(shí)，就會(huì)運(yùn)行該任務(wù)。

GPS、壓力/溫度和紫外線任務(wù)可以是偽周期性任務(wù)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)定期掛起和喚醒。相反，任務(wù)喚醒是在從各個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)后從低功耗內(nèi)核觸發(fā)的。由于數(shù)據(jù)收集速率在低功耗內(nèi)核中是周期性的，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)

處理器間通信體系結(jié)構(gòu)

同時(shí)運(yùn)行的兩個(gè)內(nèi)核需要一種機(jī)制來(lái)保護(hù)共享數(shù)據(jù)和通信，以便在固件中同步任務(wù)。雙核架構(gòu)需要支持多種 IPC 機(jī)制，例如 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(lái)保護(hù)共享數(shù)據(jù)和 IPC 消息傳遞，以在內(nèi)核之間交換通知和數(shù)據(jù)。

IPC 鎖：每當(dāng)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，訪問(wèn)核心/任務(wù)都會(huì)嘗試獲取與數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的鎖。如果鎖是空閑的，則核心/任務(wù)被授予對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限。更新/處理完成后，任務(wù)可以釋放鎖以授予對(duì)其他掛起任務(wù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限。這可以防止數(shù)據(jù)被多個(gè)源同時(shí)嘗試更新/使用數(shù)據(jù)而損壞。

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(lái)同步內(nèi)核之間的任務(wù)。這可以通過(guò)在內(nèi)核之間傳遞的“命令和參數(shù)”消息數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)一個(gè)內(nèi)核希望另一個(gè)內(nèi)核執(zhí)行操作時(shí)，它都會(huì)將帶有任何必需參數(shù)的操作/命令 ID 打包到消息中，并通過(guò) IPC 傳遞消息。消息數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備就緒后，內(nèi)核將在另一個(gè)內(nèi)核上觸發(fā) IPC 中斷，在該內(nèi)核上解析命令，然后對(duì)其執(zhí)行操作。

在第二部分中，我們通過(guò)一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)討論了可穿戴設(shè)備應(yīng)用。在第三部分中，我們將說(shuō)明如何利用可穿戴實(shí)現(xiàn)與智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。