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Chip-Scale-MCUs

Werden sie den Größenbeschränkungen von Wearable-Designs gerecht?

4. Oktober 2016, 12:51 Uhr | Parker Dorris, Senior Firmware Engineer, Microcontroller Products, Silicon Labs

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Board-Layout

Der Einsatz von CSP-Gehäusen maximiert den Platz auf dem Board, der unserer auf der PCB implementierten kapazitiven Sensorschnittstelle zugeteilt werden kann. Sowohl die MCU als auch der Beschleunigungsmesser können entlang der Kante einer Seite der annähernd kreisrunden PCB gruppiert werden, zusammen mit einer LED, die freigelegt werden kann, möglicherweise durch ein Loch in dem Gerätegehäuse.

Zur Erfassung einer Fingerwischbewegung muss das Board zwei kapazitive Sensoren enthalten – im Idealfall zwei gleich große Sensoren –, die leicht entlang ihrer gemeinsamen Kante verzahnt sind. Diese beiden Sensoren sollten den größten Teil des Platzes auf der Oberfläche auf der MCU-Seite des Boards einnehmen, auch wenn sie durch einen dritten dünnen Sensor umgeben sein sollten, der auch die anderen beiden Sensoren umfasst. Dieser dritte Sensor bietet wichtige Informationen während menschlicher Interaktion, die unser MCU zur Qualifizierung von Berührung und Schieber verwendet.

Berührungs-Qualifizierung

Die extreme Tragbarkeit von Wearables bedeutet, dass diese Geräte häufig am Körper oder in der Hand getragen werden. Bei einem Gerät, das die Nähe von leitendem Material wie den Händen oder der Haut misst, könnte der annähernd konstante menschliche Kontakt, dem sich das Gerät gegenübersieht, zu Problemen bei der Qualifizierung der Berührung führen. Glücklicherweise helfen Features der für dieses Design gewählten MCU und des Beschleunigungsmessers dem Entwickler, diese Herausforderungen zu überwinden.

Obgleich das System drei kapazitive Sensoren enthält, besitzt es faktisch vier Eingänge. Der Beschleunigungsmesser bietet einen Interrupt-gesteuerten Antipp-Detektor, der unserer Schnittstelle eine weitere Methode zur Verfügung stellen kann, mit der die Firmware Berührungs-Ereignisse qualifizieren kann. Durch die Nutzung des Antipp-(Tap-)Detektors des Beschleunigungsmessers durchläuft die Berührungsqualifizierung durch den Mikrocontroller EFM8SB1 die folgenden Stufen:

Erfassung des positive Deltas auf dem Perimetersensor entlang der Gerätekanten zur Durchführung eines Eingangs-Use-Cases, bei dem der Anwender das Gerät an seinen Kanten anfasst oder es in einer hohlen Hand halt, kurz gefolgt von:
einem vom Beschleunigungsmesser signalisierten Antipp-Erfassungsereignis, das übereinstimmt mit
einem positiven Delta von ausreichender Stärke, erfasst auf einem oder beiden der zentralen kapazitiven Sensoren.

Die Firmware der MCU kann auf die Firmware-Bibliothek für kapazitive Erfassung zurückgreifen, die von der von Silicon Labs angebotenen Entwicklungsumgebung Simplicity Studio für die gesamte kapazitive Berührungsqualifizierung und Filterung angeboten wird.

Stromsparende Funktionalität

Sowohl der Beschleunigungsmesser als auch die MCU können so konfiguriert werden, dass sie in stromsparenden Betriebsarten arbeiten. Die kapazitive Sensorfirmware-Bibliothek ermöglicht es der EFM8SB1 MCU, in einen Schlafmodus von ~300 nA zu gehen und regelmäßig aufzuwachen, um die kapazitiven Sensoren auf Aktivitäten zu überprüfen. Die MCU verwendet darüber hinaus ein Port-Match-Aufwach-Ereignis, um asynchrony aufzuwecken, wenn der Beschleunigungsmesser signalisiert, dass ein Ereignis erfasst wurde und Daten zum Abruf bereitstehen.

Der Mikrocontroller EFM8SB1 verbleibt dabei in einem stromsparenden Zustand und verbraucht weniger als 1 µA, es sei denn, es tritt eines der folgenden Ereignisse auf:

Ein Berührungsqualifikations-Ereignis, das eine intensivere Überwachung der kapazitiven Sensoreingänge erfordert
Aktivität der Beschleunigungsmesser, zum Beispiel Antipp-Erfassung oder ein Schritterfassungs-Interrupt, der es erforderlich macht, dass die MCU aufwacht und diese Interrupts bedient
Ein Aktivitäts-Alarm, wenn das Gerät die LED zum Blinken bringt, um den Anwender zum Aufstehen und Herumgehen zu motivieren.

Inzwischen ist der Beschleunigungsmesser so konfiguriert, dass er auf seinen Betriebszustand mit dem geringsten Energieverbrauch geht und nur dann ein Signal abgibt, wenn ein Antipp-Ereignis oder eine Änderung auf einer der drei Achsen entdeckt wurde. Auf dem Chip gepufferte Daten minimieren die notwendigen Interaktionen zwischen der MCU und dem Beschleunigungsmesser, was die Batterielebensdauer noch weiter optimiert.

Nachdem der Mikrocontroller die gepufferten Daten aus dem Beschleunigungsmesser ausgelesen hat, müssen einige zusätzliche Untersuchungen und Analysen dieser Daten durchgeführt werden, um festzustellen, ob ein Schritt stattgefunden hat. Sobald die drei Datenachsen mit der Geschichte der auf dem EFM8SB1-Baustein gespeicherten Daten verglichen worden sind, kann die MCU ihren Schrittzähler aktualisieren und rasch in einen stromsparenden Zustand zurückkehren.

Was kommt als nächstes?

Dieses Beispiel zeigt ein Produkt am "Macht-eine-Sache-gut"-Ende des Spektrums der Wearable-Geräte. Die Funktionsdichte, Präzision und Energieeffizienz, mit der integrierte Schaltungen in CSP-Größe in diesem Beispiel arbeiten, zeigen außerdem, wie nützlich und befähigend solche IC-Bausteine sein können. So könnte beispielsweise das in diesem Wearable-Design beschriebene Produkt auch als Subsystem eines größeren Produkts gesehen werden, bei dem die Chip-Scale-MCU als energiesparender Sensor-Hub arbeitet, der sowohl die Berührungsschnittstelle als auch einen Beschleunigungsmesser verwaltet. Nachdem Halbleiteranbieter es schaffen, immer mehr Features in immer kleinere Gehäuse zu packen, liegt es an den Systementwicklern, diese Innovationen nutzvoll einzusetzen und beim Produkt-Design kreativ zu werden.