對(duì)可穿戴設(shè)備的不斷推動(dòng)正在將個(gè)人轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄冏约旱臄?shù)據(jù)中心，包括閃存驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng) PC、傳感器陣列、醫(yī)療設(shè)備等。各種技術(shù)在可穿戴設(shè)計(jì)中爭(zhēng)奪輸入、輸出、連接性和功能。例如，TFT、虛擬視覺(jué)護(hù)目鏡、微型投影儀、3D 顯示器和全息顯示系統(tǒng)都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但不太可能將每種技術(shù)都作為用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)在單個(gè)可穿戴系統(tǒng)中。你可以對(duì) 3D 手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、觸摸面板、鍵盤(pán)、觸覺(jué)反饋系統(tǒng)等輸入技術(shù)說(shuō)同樣的話(huà)。

　　因此，可穿戴計(jì)算機(jī)及其相關(guān)外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)人員必須做出選擇。所有處理功能是否都存在于一個(gè)地方，還是分布在我們周?chē)母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)中？也許，最終，當(dāng)所有這些（和其他）技術(shù)都以最低的成本提煉到最高的功能和可靠性時(shí)，單一的全能設(shè)備可能會(huì)成為流行的選擇。在那之前，依靠使用獨(dú)立的外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備不僅可以連接到其他可穿戴設(shè)備，還可以與網(wǎng)絡(luò)互連。

　　本文著眼于具有為計(jì)算機(jī)和 PAN 創(chuàng)建可穿戴接線(xiàn)盒所需功能的微控制器。由于布線(xiàn)和接觸點(diǎn)會(huì)影響價(jià)格和可靠性，因此串行協(xié)議將用于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。具有豐富串行連接的微型計(jì)算機(jī)可以成為理想的接線(xiàn)盒通信聚合器。有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)連接都是如此，因?yàn)樯漕l鏈路本質(zhì)上是串行的。此處引用的所有部件和數(shù)據(jù)都可以在 Digi-Key 的網(wǎng)站上在線(xiàn)找到。

　　連接鏈接選項(xiàng)

　　雖然提供了許多外圍設(shè)備和連接鏈路，但過(guò)去 MCU 并不總是能夠跟上數(shù)據(jù)密集型通信的高速鏈路的速度。例如，早在 1980 年代，Apple 就認(rèn)識(shí)到需要為高清音頻和視頻制定高速串行總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1394 FireWire 接口就是這樣，在樹(shù)形或菊花鏈配置中為多達(dá) 63 個(gè)外設(shè)使用同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

　　作為 USB 的前身，它具有即插即用功能、唯一標(biāo)識(shí)符和 NRZ 數(shù)據(jù)選通編碼技術(shù)，能夠以全雙工方式可靠地傳輸高達(dá) 400 Mbits/s 的串行數(shù)據(jù)。它還執(zhí)行仲裁，可以使用最長(zhǎng) 72 m 的電纜。然而，它的 261 項(xiàng)專(zhuān)利由 10 家公司持有，許可和特許權(quán)使用費(fèi)阻礙了廣泛采用。祝你好運(yùn)找到任何完全原生支持 FireWire 的微控制器。（注意：Texas Instruments確實(shí)為 IEEE 1394 提供TSB43AB22A鏈路層控制器，但它旨在用作 PCI 到 FireWire 接口）。

　　Toslink 是串行協(xié)議介質(zhì)的另一個(gè)示例，非常適合 PAN 應(yīng)用的高清音頻和視頻。強(qiáng)大而靈活的光纖鏈路支持高達(dá) 250 Mbits/s 的數(shù)據(jù)速率，并且不受周?chē)娮釉肼暤挠绊?。東芝TODX2402（F）等收發(fā)器提供小型可靠連接，并且電纜也很容易獲得。

　　雖然直接 FireWire 和 Toslink 接口不是微控制器自帶的，但其他隨時(shí)可用的串行外設(shè)和鏈接很容易獲得。以太網(wǎng)是一種成熟的串行鏈路協(xié)議，許多具有本地硬件的 MCU 加以太網(wǎng)系列都支持它（圖 1）。另請(qǐng)注意，基本傳感器和外圍設(shè)備可以使用簡(jiǎn)單的 8 位 MCU 加以太網(wǎng)部件，例如WIZnet的基于 8051 的W7100A，它還具有用于本地按鈕、開(kāi)關(guān)或傳感器系統(tǒng)的 UART 和 GPIO。

　　圖 1：將專(zhuān)用通信硬件嵌入芯片后，即使是簡(jiǎn)單的 8 位處理器也可以鏈接到 PAN 的通信網(wǎng)絡(luò)中。這意味著低成本的微型器件可用于簡(jiǎn)單的傳感器和功能。

　　NXP Semiconductor通過(guò)基于 72 MHz ARM7 的LPC2468FBD208，551 MCU（圖 2）等部件提供 16/32 位串行接線(xiàn)盒功能。作為公司LPC2400系列的一員，這些部件混合了 CAN、I?C、SPI、SCI 和 UART，可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式與低帶寬外設(shè)和傳感器連接。（請(qǐng)注意，許多 RF 收發(fā)器芯片可以從 UART、I?C、SPI 或 USB 獲取數(shù)據(jù)。）其他系列成員也具有 CAN、IrDa、Microwire 和 USB OTG 連接。

　　圖 2：NXP LPC2468FBD208，551 MCU 的框圖。

　　以太網(wǎng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其廣泛的支持、培訓(xùn)和免費(fèi)堆棧，可隨時(shí)集成到您的源代碼中。NXP在 Digi-Key 網(wǎng)站上提供了有關(guān)其以太網(wǎng)技術(shù)的視頻概述。還提供了一個(gè)產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，可幫助將 8 位和 16 位處理器遷移到 LPC ARM 處理器。

　　以太網(wǎng)的另一個(gè)不錯(cuò)的特性是小型、可穿戴、低功耗、多端口交換機(jī)和路由器可用于讓外圍設(shè)備直接相互通信，而無(wú)需主機(jī) CPU 的干預(yù)和監(jiān)控。以太網(wǎng)供電技術(shù)非常有用，它可以從交換機(jī)和路由器為端點(diǎn)供電。像凌力爾特 LTC4274IUHF#PBF這樣的部件可以讓這些高速串行數(shù)據(jù)鏈路為外圍設(shè)備提供 25 W 的功率。

　　就用于串行連接的高速、自供電、仲裁、緊湊和支持良好的微控制器而言，USB 處于最前沿。USB受到數(shù)千個(gè)8 位、16 位和32 位性能級(jí)別的微控制器的支持，在用作可穿戴 PAN 處理器和外圍設(shè)備的低速和高速串行鏈路時(shí)具有多種優(yōu)勢(shì)。

　　看看基于賽普拉斯ARM9 的 USB 控制器，它支持 USB 版本3。CYUSB3014-BZXC等部件支持高達(dá) 5 Gbit/s 的 USB 3.0 數(shù)據(jù)速率，最多支持 32 個(gè)物理端點(diǎn)。超低功耗內(nèi)核（低至 20 ?A）使其非常適合電池供電的可穿戴應(yīng)用，并且與EZ USB FX3系列中的其他器件一樣，該器件還具有 UART、SPI、I?C 的完美組合和 I?S 串行音頻主發(fā)送器功能。

　　PAN 外圍設(shè)備要求

　　我們的可穿戴計(jì)算機(jī)的所有部件都需要電源和信號(hào)，在某些情況下，電池供電的獨(dú)立無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)解決方案都是最好的。如前所述，顯示技術(shù)可以從可穿戴主機(jī)的小型、薄型、有線(xiàn)高速串行鏈路中受益，只要它舒適、實(shí)用，甚至?xí)r尚（圖 3）。這也可能使我們的顯示技術(shù)重量更輕，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)單個(gè)屏蔽雙導(dǎo)體鏈路傳輸功率和信號(hào)。

　　另一方面，心臟監(jiān)測(cè)器必須留在我們身上，并且每天 24 小時(shí)都處于活動(dòng)狀態(tài)。它可能需要一個(gè)可熱插拔的電池組，因?yàn)樗仨毺幱诨顒?dòng)狀態(tài)，即使在我們睡覺(jué)時(shí)也是如此。它還需要是無(wú)線(xiàn)的，因?yàn)槲覀儾幌朐谒X(jué)時(shí)連接到收發(fā)器。

　　注意：此無(wú)線(xiàn)鏈路不必是高速大功率鏈路?？梢詡鬏斝?shù)據(jù)包以提醒智能手機(jī)或平板電腦或任何具有云連接的設(shè)備。數(shù)據(jù)可以在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中傳輸、存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)。

　　另一個(gè)例子是可穿戴計(jì)步器，它使用加速度計(jì)感應(yīng)和記錄運(yùn)動(dòng)，以確定我們跑了多少英里。由于我們不會(huì)在睡夢(mèng)中跑步，因此它可以在晚上放在充電座中并儲(chǔ)存足夠的電量，無(wú)需電源線(xiàn)即可運(yùn)行一整天。收集到的相對(duì)少量的數(shù)據(jù)可以使用 UART 等低波特率鏈路，并通過(guò)電線(xiàn)、光學(xué)器件或射頻傳輸。

　　向前進(jìn)

　　社會(huì)趨勢(shì)可以增強(qiáng)或壓制技術(shù)解決方案，而吸引大眾的解決方案將會(huì)成功。時(shí)尚和實(shí)用的設(shè)計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)（圖 3），而 JEDEC JESD204B 數(shù)字串行接口等新的連接標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)得到廣泛接受。與我們的 PAN 的云連接將是蜂窩 3G/4G/5G 等。但是，我們的處理器、外圍設(shè)備、傳感器和設(shè)備的本地連接將是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)串行鏈路的組合。幸運(yùn)的是，正如我們所展示的，有幾個(gè)性能和功能豐富的處理器可以完成繁重的工作。

　　總之，本文展示了這些部件和資源可供設(shè)計(jì)人員使用標(biāo)準(zhǔn)串行接口為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)應(yīng)用開(kāi)發(fā)用于計(jì)算機(jī)和 PAN 的可穿戴接線(xiàn)盒。在檢查準(zhǔn)備好支持這些設(shè)計(jì)的可用微控制器范圍時(shí)，我們提供了簡(jiǎn)單的低功耗數(shù)據(jù)采集傳感器 MCU 以及具有附加功能的高性能多核部件的示例。

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