System-on-Chip Erfolgreich Wearables entwickeln

Vor 70 Jahren entwarf Chester Gould die Walkie-Talkie-fähige Armbanduhr von Dick Tracy. Heute sind solche Wearables Realität, und es gilt, Sensorik, Datenverarbeitung, Display und Funkanbindung zu integrieren – und das in einem ansprechenden, kompakten Design, das möglichst lange laufen soll.

Für das Design von Wearables gelten drei Hauptkriterien: Stromverbrauch (Energieeffizienz) in allen Betriebsmodi, das richtige HF-Design von den Anpassungsschaltkreisen bis zur Antenne und der Integrationsgrad der für das Design vorgesehenen Bauteile. Meist verfügen Wireless Wearable Devices (WWD) über die gleichen Bauteile: Batterie, Antenne, einen Mikrocontroller (MCU), Funkschaltkreise und einen Sensor. Dabei ist die Batterie für den größten Teil des realisierbaren Funktionsumfangs und die Lebensdauer des WWDs verantwortlich. Da die Mehrzahl dieser Geräte Daten nicht kontinuierlich streamen (hoher Energieverbrauch), findet eine Datenkommunikation in unregelmäßigen Bursts (kurzen Übertragungszeiten) statt. MCUs mit integrierter Funkfunktion, genannt Wireless-MCUs (WMCU), stehen bereits zur Verfügung. Damit lässt sich Platz auf der Leiterplatte und Strom einsparen. WMCUs sind also ein fester Bestandteil in Wearables.

Die Wahl der richtigen WMCU kann schwierig sein, da der Wunsch nach vielen Funktionen in einem solchem Gerät durch die Batterielebensdauer begrenzt ist. Betrachtet man den Spitzenstromverbrauch der WMCU und extrapoliert die Batterielebensdauer in Bezug dazu, ergibt sich ein enttäuschendes Ergebnis. WWDs arbeiten daher mit verschiedenen Energieverbrauchsmodi (EM) und gehen nur sehr selten in den Zustand mit höchstem Stromverbrauch über. Man muss also die Verweildauer der Geräte in diesen EM berücksichtigen, um eine realistische Batterielebensdauer bestimmen zu können.

Für seine ARM-basierten MCUs der Serie »EFM32« (Bild 1) hat Silicon Labs beispielsweise fünf Energieverbrauchsmodi festgelegt: EM0 (Active/Run), EM1 (Sleep), EM2 (Deep Sleep), EM3 (Stop) und EM4 (Shutoff). Über diese fünf Modi lässt sich der Gesamtstromverbrauch des Systems genau bestimmen und optimieren. Die Festlegung dieser Modi und der zugehörigen Spezifikationen im Datenblatt garantiert allerdings keinen Stromsparbetrieb in allen Modi. Anders ausgedrückt: Die »Energiefreundlichkeit« ist nicht garantiert. Was die Energiefreundlichkeit ausmacht und zu einem positiven Erlebnis für den Endanwender beiträgt (lange Batterielebensdauer), ist die Art, wie die WMCU für einen Betrieb in diesen verschiedenen Modi konzipiert ist. Abhängig von den Zeiten zwischen den Bursts kann der Aktivmodus EM0 nur einen kleinen Prozentsatz des Gesamtstromverbrauchs repräsentieren, und die Zeit im Deep-Sleep-Modus EM2 kann den größten Prozentsatz des Batterieverbrauchs einnehmen.

Strom sparen wo immer möglich

Bei der Wahl der besten WMCU sollte man neben den Stromsparfunktionen und einer hohen Integration auch auf die folgenden Funktionen achten:

  • geringster Stromverbrauch im Aktivmodus (EM0),
  • geringste Standby-Ströme (EM1 und EM2),
  • Wahl verschiedener Mikroprozessor-Cores, einschließlich 8-Bit- und 32-Bit-Cores (z.B. ARM Cortex-M0+ bis -M4) und
  • Wahl verschiedener Funkkonfigurationen (nur TX, nur RX und TX+RX) sowie Leistungsstufen.

Weitere MCU-Funktionen beziehen sich auf die Architektur und Integration. Sie sind genauso von Bedeutung, erfordern jedoch eine weitere Erklärung:

  • sehr schnelle Aktivierungszeiten (Wake-up),
  • autonomer Peripheriebetrieb,
  • autonomer interperipherer Betrieb (Peripheral Reflex System),
  • stromsparende Sensorschnittstelle LESENSE (Low Energy Sensor Interface),
  • umfangreiche energieeffiziente Peripherie und Schnittstellen und
  • HF-Integration.

Auf diese verschiedenen Anforderungen wollen wir im Folgenden näher eingehen.