如何縮短設(shè)計(jì)周期?

e絡(luò)盟亞太區(qū)技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理　陳嘉偉

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如何縮短設(shè)計(jì)周期?

e絡(luò)盟亞太區(qū)技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理陳嘉偉

電子工程師在設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備的時(shí)候往往會(huì)受到諸多限制，如功耗、重量和尺寸等，而其中對(duì)于大多數(shù)工程師來(lái)說(shuō)，最為關(guān)鍵的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)便是產(chǎn)品上市速度，即工程師將設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際可用產(chǎn)品的速度。越快完成這項(xiàng)轉(zhuǎn)化，就能越早針對(duì)系統(tǒng)中的重要部分以及應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與優(yōu)化。

絕大多數(shù)可穿戴設(shè)備都以傳感器為基礎(chǔ)，用以測(cè)量用戶的步數(shù)、心率、姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)。傳感器采集的數(shù)據(jù)由單個(gè)微控制器讀取并進(jìn)行基本處理和存儲(chǔ)，隨后進(jìn)行無(wú)線輸出，通常傳輸至智能手機(jī)上，而手機(jī)則進(jìn)一步將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至云端進(jìn)行處理和報(bào)告。

作為融合電子商務(wù)與在線社區(qū)的高質(zhì)量電子元件與解決方案分銷商,e絡(luò)盟將從設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)模式及整個(gè)設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)的視角依次對(duì)這些模塊進(jìn)行分析，以尋求有助于縮短各個(gè)模塊設(shè)計(jì)用時(shí)的方法。

更快速的傳感器設(shè)計(jì)

從傳感器上獲取原始數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為有實(shí)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(wú)論是加速計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、光伏計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)還是可穿戴應(yīng)用測(cè)量所使用的其他類型傳感器。工程師往往需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間用于開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)線性化的算法、調(diào)整傳感器偏移并逐個(gè)校準(zhǔn)。盡管如此，仍有諸多方法來(lái)為這一進(jìn)程提速。

以Microchip Technology Inc. (美國(guó)微芯科技公司)生產(chǎn)的一款運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器Microchip SSC7150為例，它可以輕松地執(zhí)行基于嵌入式應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)功能，工程師無(wú)需精通傳感器技術(shù)，可加速上市進(jìn)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(jì)、3D陀螺儀以及3D磁力計(jì)。主應(yīng)用 MCU不再負(fù)責(zé)信息的收集和處理工作。與主MCU進(jìn)行I2C連接后，主MCU便可從設(shè)備上直接讀取準(zhǔn)確且已處理的位置和定位信息，從而實(shí)現(xiàn)更加快速的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

圖　2

采用這種設(shè)計(jì)方案時(shí)還需將單個(gè)傳感器與協(xié)處理器相連接。此外還有一種更加簡(jiǎn)捷的設(shè)計(jì)，即將傳感器預(yù)裝在模塊之上。Microchip生產(chǎn)的模塊MM7150，整合了SSC7150運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器、Bosch BMC150(六軸數(shù)字羅盤(pán))和BMG160(三軸陀螺儀)。Microchip MM7150運(yùn)動(dòng)模塊采用單面設(shè)計(jì)，在制造過(guò)程中可輕松焊接。

更快速的MCU設(shè)計(jì)

談過(guò)了傳感器，在可穿戴應(yīng)用的研發(fā)過(guò)程中，下一步就是MCU的選擇及固件的開(kāi)發(fā)。

MCU用于控制應(yīng)用、讀取輸入、驅(qū)動(dòng)輸出以及實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)模塊之間的通信。在嵌入式應(yīng)用的設(shè)計(jì)流程中，軟件開(kāi)發(fā)是最耗時(shí)也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。大多數(shù)情況下工程師會(huì)使用C語(yǔ)言編程。他們需要為周邊設(shè)備編制驅(qū)動(dòng)，并借助復(fù)雜的中斷例程整合各種周邊設(shè)備。此外，他們還需要開(kāi)發(fā)更高水平的應(yīng)用功能。通常那些運(yùn)行較快的軟件其性能會(huì)更高，而軟件的開(kāi)發(fā)、測(cè)試和調(diào)試往往需要經(jīng)歷一個(gè)迭代過(guò)程，這都需要付出時(shí)間和努力不斷改進(jìn)。

在此階段，工程師若能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)尺寸與功耗的最優(yōu)化，將能夠切實(shí)推動(dòng)可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)更快上市。市面上存在幾種方案有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。Microchip以獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)(CIP)理念為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了大量8位和16位MCU，這樣一來(lái)，即使是簡(jiǎn)單的設(shè)備也能夠更加廣泛地應(yīng)用于多種應(yīng)用當(dāng)中。配備大量智能型互聯(lián)CIP的典型設(shè)備能夠整合這些外設(shè)在無(wú)內(nèi)核的情況下自主實(shí)現(xiàn)各類功能。由于這些功能完全依賴硬件而非軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此使用CIP能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)8位MCU的系統(tǒng)性能，這就有利于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，并縮短軟件開(kāi)發(fā)周期以及由此產(chǎn)生的測(cè)試和調(diào)試時(shí)間。此外，CIP可免除對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)中各功能的驗(yàn)證需要。

加快無(wú)線開(kāi)發(fā)

多數(shù)可穿戴應(yīng)用都設(shè)有無(wú)線連接功能。某些醫(yī)療應(yīng)用或其他日志應(yīng)用在通過(guò)USB等工具下載收集的信息之前，可能會(huì)先直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。但一般而言，這些應(yīng)用都是以無(wú)線方式連接。有時(shí)候，工程師可能還需要支持遠(yuǎn)距離操作的無(wú)線連接。

這種情況下，我們有多種選擇，比如遠(yuǎn)距離無(wú)線通信(LoRa)。然而多數(shù)情況下，可穿戴技術(shù)一般通過(guò)智能手機(jī)連接至個(gè)人網(wǎng)絡(luò)。在這類應(yīng)用中，藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是最普遍的無(wú)線連接方式。

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)讓可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)師能夠任意選用數(shù)十億種Bluetooth Smart Ready智能手機(jī)作為其產(chǎn)品主機(jī)設(shè)備。借助低功耗藍(lán)牙或Bluetooth Smart技術(shù)，應(yīng)用無(wú)需經(jīng)過(guò)硬件驗(yàn)證便可直接連接至蘋(píng)果手機(jī)(包括iPhone 4S及其后代產(chǎn)品)。與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比，這些技術(shù)可讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更快上市，同時(shí)也為應(yīng)用設(shè)備能夠使用iBeacon協(xié)議提供了可能性。

就傳感器來(lái)說(shuō)，一個(gè)適當(dāng)?shù)哪K便可極大地加速在設(shè)計(jì)中添加藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的進(jìn)程。所謂適當(dāng)模塊就是指RF認(rèn)證、天線設(shè)計(jì)與協(xié)議棧開(kāi)發(fā)等已經(jīng)完成，工程師無(wú)需再為之耗費(fèi)任何時(shí)間與精力。

加快云集成速度

大多數(shù)可穿戴應(yīng)用需要連接到云端，這并不是一項(xiàng)輕松的任務(wù)。若要保證連接成功，就需要消除嵌入式設(shè)計(jì)人員與IT專業(yè)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(gè)世界。嵌入式設(shè)計(jì)人員關(guān)注字位和字節(jié)數(shù)，而IT專業(yè)人員關(guān)注的則是千兆與兆兆字節(jié)。這種差異化特點(diǎn)也存在于云連接嵌入式系統(tǒng)中的方方面面。

嵌入式工程師如何運(yùn)行云應(yīng)用呢？在設(shè)計(jì)過(guò)程中，他們需要綜合考慮服務(wù)器、存儲(chǔ)、安全性等諸多方面。慶幸的是，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在有許多服務(wù)可以簡(jiǎn)化和加速云解決方案的開(kāi)發(fā)。其中之一就是亞馬遜云服務(wù)(AWS)，包括亞馬遜彈性計(jì)算云服務(wù)(EC2)以及新近推出的AWS物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。EC2服務(wù)讓用戶能夠以多種不同配置方式獲取和配置任意數(shù)量的服務(wù)器資源。AWS物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠讓連接設(shè)備方便地與云應(yīng)用及其他設(shè)備進(jìn)行安全交互。AWS物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還能夠支持?jǐn)?shù)以億計(jì)的設(shè)備與信息，安全可靠地處理這些信息并發(fā)送到AWS端點(diǎn)及其他設(shè)備。藉此，設(shè)計(jì)人員無(wú)需管理任何基礎(chǔ)設(shè)施，便可以直接構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，用于收集、處理、分析連接設(shè)備生成的數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

總之，構(gòu)建可穿戴應(yīng)用涉及許多復(fù)雜的開(kāi)發(fā)難題，但同時(shí)，也存在一些模塊、工具及生態(tài)系統(tǒng)能夠切實(shí)加快可穿戴應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。在可穿戴應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面，電子元件僅僅是更復(fù)雜系統(tǒng)依托的平臺(tái)，構(gòu)建這個(gè)平臺(tái)并使之快速運(yùn)行才是成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

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