MCU用于计算机和PAN的可穿戴接线盒

　　对可穿戴设备的不断推动正在将个人转变为他们自己的数据中心，包括闪存驱动器、移动 PC、传感器阵列、医疗设备等。各种技术在可穿戴设计中争夺输入、输出、连接性和功能。例如，TFT、虚拟视觉护目镜、微型投影仪、3D 显示器和全息显示系统都具有独特的优势，但不太可能将每种技术都作为用户界面实现在单个可穿戴系统中。你可以对 3D 手势识别、语音识别、触摸面板、键盘、触觉反馈系统等输入技术说同样的话。

　　因此，可穿戴计算机及其相关外围设备的设计人员必须做出选择。所有处理功能是否都存在于一个地方，还是分布在我们周围的各个节点中？也许，最终，当所有这些（和其他）技术都以最低的成本提炼到最高的功能和可靠性时，单一的全能设备可能会成为流行的选择。在那之前，依靠使用独立的外围设备，这些外围设备不仅可以连接到其他可穿戴设备，还可以与网络互连。

　　本文着眼于具有为计算机和 PAN 创建可穿戴接线盒所需功能的微控制器。由于布线和接触点会影响价格和可靠性，因此串行协议将用于有线网络连接。具有丰富串行连接的微型计算机可以成为理想的接线盒通信聚合器。有线和无线连接都是如此，因为射频链路本质上是串行的。此处引用的所有部件和数据都可以在 Digi-Key 的网站上在线找到。

　　连接链接选项

　　虽然提供了许多外围设备和连接链路，但过去 MCU 并不总是能够跟上数据密集型通信的高速链路的速度。例如，早在 1980 年代，Apple 就认识到需要为高清音频和视频制定高速串行总线标准。IEEE 1394 FireWire 接口就是这样，在树形或菊花链配置中为多达 63 个外设使用同步实时数据传输。

　　作为 USB 的前身，它具有即插即用功能、唯一标识符和 NRZ 数据选通编码技术，能够以全双工方式可靠地传输高达 400 Mbits/s 的串行数据。它还执行仲裁，可以使用最长 72 m 的电缆。然而，它的 261 项专利由 10 家公司持有，许可和特许权使用费阻碍了广泛采用。祝你好运找到任何完全原生支持 FireWire 的微控制器。（注意：Texas Instruments确实为 IEEE 1394 提供TSB43AB22A链路层控制器，但它旨在用作 PCI 到 FireWire 接口）。

　　Toslink 是串行协议介质的另一个示例，非常适合 PAN 应用的高清音频和视频。强大而灵活的光纤链路支持高达 250 Mbits/s 的数据速率，并且不受周围电子噪声的影响。东芝TODX2402（F）等收发器提供小型可靠连接，并且电缆也很容易获得。

　　虽然直接 FireWire 和 Toslink 接口不是微控制器自带的，但其他随时可用的串行外设和链接很容易获得。以太网是一种成熟的串行链路协议，许多具有本地硬件的 MCU 加以太网系列都支持它（图 1）。另请注意，基本传感器和外围设备可以使用简单的 8 位 MCU 加以太网部件，例如WIZnet的基于 8051 的W7100A，它还具有用于本地按钮、开关或传感器系统的 UART 和 GPIO。

　　图 1：将专用通信硬件嵌入芯片后，即使是简单的 8 位处理器也可以链接到 PAN 的通信网络中。这意味着低成本的微型器件可用于简单的传感器和功能。

　　NXP Semiconductor通过基于 72 MHz ARM7 的LPC2468FBD208，551 MCU（图 2）等部件提供 16/32 位串行接线盒功能。作为公司LPC2400系列的一员，这些部件混合了 CAN、I²C、SPI、SCI 和 UART，可以通过有线或无线方式与低带宽外设和传感器连接。（请注意，许多 RF 收发器芯片可以从 UART、I²C、SPI 或 USB 获取数据。）其他系列成员也具有 CAN、IrDa、Microwire 和 USB OTG 连接。

　　图 2：NXP LPC2468FBD208，551 MCU 的框图。

　　以太网的一个优点是其广泛的支持、培训和免费堆栈，可随时集成到您的源代码中。NXP在 Digi-Key 网站上提供了有关其以太网技术的视频概述。还提供了一个产品培训模块，可帮助将 8 位和 16 位处理器迁移到 LPC ARM 处理器。

　　以太网的另一个不错的特性是小型、可穿戴、低功耗、多端口交换机和路由器可用于让外围设备直接相互通信，而无需主机 CPU 的干预和监控。以太网供电技术非常有用，它可以从交换机和路由器为端点供电。像凌力尔特 LTC4274IUHF#PBF这样的部件可以让这些高速串行数据链路为外围设备提供 25 W 的功率。

　　就用于串行连接的高速、自供电、仲裁、紧凑和支持良好的微控制器而言，USB 处于最前沿。USB受到数千个8 位、16 位和32 位性能级别的微控制器的支持，在用作可穿戴 PAN 处理器和外围设备的低速和高速串行链路时具有多种优势。

　　看看基于赛普拉斯ARM9 的 USB 控制器，它支持 USB 版本3。CYUSB3014-BZXC等部件支持高达 5 Gbit/s 的 USB 3.0 数据速率，最多支持 32 个物理端点。超低功耗内核（低至 20 µA）使其非常适合电池供电的可穿戴应用，并且与EZ USB FX3系列中的其他器件一样，该器件还具有 UART、SPI、I²C 的完美组合和 I²S 串行音频主发送器功能。

　　PAN 外围设备要求

　　我们的可穿戴计算机的所有部件都需要电源和信号，在某些情况下，电池供电的独立无线和有线解决方案都是最好的。如前所述，显示技术可以从可穿戴主机的小型、薄型、有线高速串行链路中受益，只要它舒适、实用，甚至时尚（图 3）。这也可能使我们的显示技术重量更轻，因为可以通过单个屏蔽双导体链路传输功率和信号。

　　另一方面，心脏监测器必须留在我们身上，并且每天 24 小时都处于活动状态。它可能需要一个可热插拔的电池组，因为它必须处于活动状态，即使在我们睡觉时也是如此。它还需要是无线的，因为我们不想在睡觉时连接到收发器。

　　注意：此无线链路不必是高速大功率链路。可以传输小数据包以提醒智能手机或平板电脑或任何具有云连接的设备。数据可以在医疗机构中传输、存储和访问。

　　另一个例子是可穿戴计步器，它使用加速度计感应和记录运动，以确定我们跑了多少英里。由于我们不会在睡梦中跑步，因此它可以在晚上放在充电座中并储存足够的电量，无需电源线即可运行一整天。收集到的相对少量的数据可以使用 UART 等低波特率链路，并通过电线、光学器件或射频传输。

　　向前进

　　社会趋势可以增强或压制技术解决方案，而吸引大众的解决方案将会成功。时尚和实用的设计已经出现（图 3），而 JEDEC JESD204B 数字串行接口等新的连接标准可能会得到广泛接受。与我们的 PAN 的云连接将是蜂窝 3G/4G/5G 等。但是，我们的处理器、外围设备、传感器和设备的本地连接将是有线和无线串行链路的组合。幸运的是，正如我们所展示的，有几个性能和功能丰富的处理器可以完成繁重的工作。

　　总之，本文展示了这些部件和资源可供设计人员使用标准串行接口为有线和无线应用开发用于计算机和 PAN 的可穿戴接线盒。在检查准备好支持这些设计的可用微控制器范围时，我们提供了简单的低功耗数据采集传感器 MCU 以及具有附加功能的高性能多核部件的示例。