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Prozessortechnik für Wearables

Guter Kompromiss zwischen Funktionalität und Batterielebensdauer

4. April 2016, 11:31 Uhr | Von Stefan Drouzas

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Integrierte Prozessortechnik für Wearables

Eine wachsende Zahl von Unternehmen stellt sich dieser Aufgabe und bietet Prozessoren speziell für IoT und Wearable-Geräte an. Toshibas Applikationsprozessor-Familie "ApP Lite" ist beispielsweise speziell für den Einsatz in Anwendungen wie Aktivitäts-Monitoring (Fitness-Armbänder) und Smartwatches ausgelegt. Die jüngste Ergänzung dieser Familie ist der TZ1200, siehe Bild 2.

Dieser kompakte Baustein mit Abmessungen von 8 × 8 × 0,6 mm³ basiert auf einem 32-bit-ARM-Cortex-M4F-RISC-Fließkommaprozessor mit Speicherschutzeinheit und flexiblem Interrupt-Prozessor, der bei Frequenzen von bis zu 120 MHz arbeiten kann. Dieser Kern versetzt den TZ1200 mit der Power-Management-Funktionalität auf dem Chip in die Lage, im Normalbetrieb mit einer aktiven Stromaufnahme von lediglich 78 µA/MHz auszukommen. Mit einer 200-mAh-Batterie sowie der passenden Power Management Software ergibt sich daraus eine Zeit von ungefähr einer Woche zwischen zwei Batterieladungen in Anwendungen zur Pulsmessung und von ungefähr einem Monat beim Einsatz in Armbanduhren. Zusätzlich zum eingebetteten 2,2-MB-SRAM enthält der TZ1200 Schnittstellen für externe Speicher-ICs. Ein LCD-Controller bzw. eine 2D-Graphik-Engine unterstützt die MIPI-Protokolle für das Display Bus Interface (DBI) und Display Serial Interface (DSI) und ist mit HVGA-Displays (480 × 320) bei 30 fps sowie mit QVGA-Displays mit einer Bildrate von bis 50 fps kompatibel. Die Verwendung externer Sensoren und Peripheriegeräte, die Aktivitäten und Bewegungen überwachen können, wird durch die integrierten USB-, UART-, SPI- und I2C-Schnittstellen in Kombination mit einer verlustfreien komprimierenden und entkomprimierenden Hardware Engine unterstützt. Ein interessantes neues Element des Prozessors ist das analoge Front End (AFE), das einen 24-bit-Delta-Sigma-ADC, einen 12-bit-ADC, einen 12-bit-DAC sowie einen LED-DAC in sich vereint. Einer der Vorteile des AFE liegt darin, dass es eine direkte Erfassung unterstützt, d.h. analoge Sensorausgänge können direkt mit dem hochauflösenden ADC des TZ1200 verbunden werden. Das bietet das Potenzial für Platz- und Energieeinsparungen und auch für EMI-Reduzierung sowie vereinfachtes Design. Die Montage der üblichen externen Elemente zur Vorkonditionierung des Signals (Hochpassfilter, High-Gain-Verstärker und Tiefpassfilter) entfällt. Beim Direktabtast-Szenario werden diese Konditionierfunktionen durch Software ausgeführt, die direkt auf dem Prozessor läuft. Auf diese Weise vereinfacht das AFE die Implementierung und verbessert die Performance der typischerweise mit Wearables ausgeführten Funktionen. Dazu zählen zum Beispiel die Impedanzmessung zur Erfassung der galvanischen Hautreaktion (Galvanik Skin Response, GSR), die Spannungsmessung zur EKG-Überwachung sowie Strommessungen, die für LED-basierte PPG- (Pulsschlagmessung mit Hilfe der Photoplethysmographie) und Sp-O2-Messungen (Pulsoximeter-Sauerstoffsättigung) erforderlich sind.