芯片级尺寸的MCU如何适应可穿戴设计中的尺寸限制？

消费类电子产品经过几十年的发展已经有无数种各类用途的设备，从专业设备到个人消费品。虽然存在性能和功能的差异，但是消费类电子产品往往遵循相同 的设计趋势：设备功能变得越来越强大、体积小巧和省电。可穿戴设备集中体现了这一趋势，它是一种便携、电池供电、高集成度的设备，负责从高精度模拟测量到 直观用户界面的所有一切。可穿戴式设备开发人员必须仔细的在多种集成电路（IC）中匹配产品的需求，有时还需要同时应对相互矛盾的优先选项。

例 如，让我们仔细思考，在灵巧的可穿戴式设计中如何兼顾尺寸、电池寿命和功能，同时又不忽视可穿戴设备的特殊性：包括它们的个性化功能和吸引力。我们以"功 能单一"类型的可穿戴设备为例--一个没有屏幕、纽扣电池供电的计步器，可以在当用户需要运动时提醒用户，同时也能够保持跟踪一整天的步数。一个简单的电 容感应触控接口实现用户输入，一个三色LED提供刚好够用的富有表现力的输出，这使产品可以提供方便且具吸引力的个性功能。这个产品设计展示了功能强大的 IC如何塞入小型封装中，有助于促进创新和产品差异化。

我们的产品需求
让我们先来勾画出产品的基本需求。在定义了功能集之后，我们能够选择负责各项功能的组件。这是一款精简到只剩基本功能的计步器。没有提供屏幕、蜂鸣器或者iPhone应用程序，该设备有意突出它的简朴和小尺寸。它的用户接口同样简洁明了。

基本设计需求包括：
• 最小化可实现的外形尺寸：带有外壳的产品应当在各项尺寸上尽可能接近CR2032电池的大小，因此用户能够在口袋中携带该设备，或者挂到他们的钥匙链上。
• 用户输入：在纽扣电池形状壳体的一侧，提供能够识别如下输入的电容触摸接口：
o 滑动：解除提示用户需要起立的报警
o 轻敲并保持：开启新的一天（复位计步器）
o 轻敲：检查一天中的步数
• 简单的输出：在壳体某处裸露的LED提供所有输出：
o 红色：定时的短闪烁表示用户已经保持不动太长时间了
o 绿色双闪：当用户开始新一天时通过轻敲并保持动作触发
o 1秒钟红/黄/绿输出：指示一天内达到33%、66%和100%步数的百分比，在轻敲触摸接口后持续几秒钟

如何实现小型化？
CR2032 电池的直径是20mm，高度是3mm。很显然，我们的系统必须比它稍微大些，但是我们如何在现实中实现可穿戴设备的小型化呢？让我们假设产品的塑料外壳能 够做的非常薄，因此在直径上它增加的长度不会超过5mm，同时易于支持电池更换。对于高度，我们如何最小化该设计的高度并保持大致纽扣电池那样的尺寸呢？ 在产品的垂直堆叠中，它的高度由四种器件尺寸构成：电池、印制电路板（PCB）、PCB上的器件和产品的塑料外壳。对于四层PCB来说，PCB厚度大约为 0.5mm。而如何最小化焊接到该PCB上的器件高度需要仔细进行型号选择。这时寻找高性能的芯片级尺寸封装的器件对于我们的设计来说至关重要。

芯片级尺寸封装的好处
晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）代表了制造和芯片组装技术中多年持续进步的成果。在WLCSP封装中，硅被直接连接到封装一侧的焊球上，与之相反，旧有技术通过绑定线连接硅端口焊盘到封装引脚。这种设计的影响是封装能够设计成宽度和高度都接近内部硅片自身尺寸的大小。

IC 供应商们争相发布WLCSP的封装支持现有的多种设备，从而获得极小封装类型的好处。此时会出现的挑战是：一些厂商的硅片相当大，以至于它在获得更小尺寸 的封装上没有竞争力。来自Silicon Labs的EFM8SB1 MCU非常适合CSP封装类型，这是因为虽然该MCU有极高的功能密度，但是它已经适应小封装尺寸（例如3mm×3mm QFN封装）。EFM8SB1 WLCSP封装尺寸仅为1.78mm×1.66mm。

EFM8SB1 MCU成为这个设计和其他可穿戴设计的理想选择，它的关键特性包括：
• 8位MCU提供超低功耗、高灵敏度电容感应输入。
• 片上实时时钟能够周期的从超低功耗（~300nA）状态唤醒系统。在这个设计中，这个时钟的一个用途就是测量从最近一次走动以来的时间，并发送活动通知去鼓励用户站起来并走动。
• 2-8kB闪存和512字节的RAM维持在整个低功耗周期内，结合25MHz的8051内核使这个小设备具有执行逻辑和进行多种系统响应的能力。

接 下来是计步器的选择。为了充分利用CSP封装的MCU所带来的超薄特性，所有板上的集成电路理论上也要选择CSP封装的器件。出于这个原因，我们的板上加 速计理论上也应当支持CSP封装。最新发布的Bosch BMA355提供高集成度的传感器，在片上实现多种三轴事件监测，可以通过SPI接口与EFM8 MCU进行通信交互的