Tecnologie indossabili e microcontrollori

Con l'attuale rivoluzione in corso nell'industria dei dispositivi indossabili la domanda di prodotti sempre più piccoli e di uso più intuitivo sta aumentando rapidamente. Tra i dispositivi più richiesti si possono annoverare smart watch, smart glass e altri oggetti (solitamente sotto forma di bracciali) utilizzati per il monitoraggio della forma fisica e dell'attività sportiva. Oltre al settore dell'elettronica di consumo, questi dispositivi stanno attirando sempre più l'attenzione dell'industria medicale. È ovvio che i componenti elettronici integrati in questi dispositivi devono avere dimensioni inferiori rispetto a quelle dei componenti utilizzati fino a qualche tempo fa. Sicuramente il componente elettronico più importante è il microcontrollore, che deve essere caratterizzato da dimensioni sempre più ridotte ed essere in grado di svolgere una molteplicità di funzioni, l'integrazione assume una notevole importanza.

I requisiti dei dispositivi indossabili
Aspetto estetico - Il più importante requisito di un dispositivo indossabile è l'aspetto estetico. Il prodotto finale deve essere elegante e alla moda e deve potersi abbinare con gli accessori esistenti quali gioielli, orologi, occhiali e così via. Il fatto che alcune tra le più importanti aziende del settore dei semiconduttori come Intel siano entrate in collaborazione con l'industria della moda testimonia l'importanza di questo requisito. Il rilevamento tattile di tipo capacitivo è la tecnologia chiave per il miglioramento dell'aspetto estetico. I requisiti più importanti per l'interfaccia utente capacitiva in questo caso sono la possibilità di adattarsi a molteplici fattori di forma, comprese le superfici curve, l'impermeabilità ai liquidi (evitando falsi tocchi) e la capacità di eseguire il rilevamento in presenza di rivestimenti di notevole spessore. Le tecnologie CapSense e TrueTouch di Cypress permettono di soddisfare tutti questi requisiti.

Dimensioni - Come affermato in precedenza, il requisito più ovvio per questi dispositivi è la riduzione delle dimensioni, al fine di consentirne l'integrazione in un prodotto indossabile. Le funzionalità, invece, non devono essere ridotte o minimizzate. Per questa ragione i componenti utilizzati in questi dispositivi devono essere piccoli e allo stesso tempo integrare più funzionalità a parità di ingombri. L'adozione di componenti System on Chip e di tecnologia Chip Scale Packaging consente di ridurre le dimensioni. I dispositivi PSoC di Cypress, ad esempio, sono disponibili in diverse opzioni di packaging, tra cui versioni di tipo Wlcsp.

Impermeabilità - I dispositivi indossabili, per loro natura, devono seguire la persona che li porta in ogni suo spostamento. Quindi è importante progettare questi dispositivi in modo tale da garantirne la resistenza ai più diversi fattori ambientali quali gocce d'acqua, umidità, sudore e così via.

Consumo di Potenza - I dispositivi indossabili, è ovvio, sono alimentati tramite batterie e la riduzione dei consumi è un problema di non facile soluzione a causa di diversi fattori, tra cui: i dispositivi indossabili, a differenza di altri prodotti, devono essere sempre accesi e connessi in quanto molti di essi sono usati per attività di monitoraggio. Per esempio un orologio deve sempre mostrare l'ora ed essere collegato a un telefono mobile attraverso una connessione wireless, ad esempio Bluetooth, per ricevere eventuali avvisi. Un contapassi deve ovviamente continuare a contare i passi e inviare un resoconto all'app del telefono mobile, come pure un monitor della frequenza cardiaca deve eseguire un'attività di monitoraggio e reporting su base continua. La capacità della batteria è intrinsecamente limitata a causa della necessità di ridurre le dimensioni complessive. Per preservare la durata delle batterie questi dispositivi devono operare con bassissimi consumi. Ciò impone alcuni vincoli alla Mcu e agli algoritmi del firmware. L'architettura Arm a 32 bit è molto utilizzata per le Cpu impiegate nei dispositivi indossabili in quanto garantisce le migliori prestazioni unitamente a un'elevata efficienza energetica. Numerose tecnologie wireless, come ad esempio Ant+ e Bluetooth Low Energy sono progettate per minimizzare i consumi.

• Comunicazioni wireless - La connettività wireless è divenuta un tratto distintivo dei moderni dispositivi elettronici in quanto assicura un maggior grado di flessibilità e libertà. Essa assume una rilevanza ancora maggiore nel caso dei dispositivi wireless poiché questi ultimi devono poter interagire con uno o più dispositivi. In funzione del tipo e delle funzionalità offerte, il dispositivo deve poter supportare differenti protocolli wireless come ad esempio Wi-Fi, ANT+, Bluetooth Low Energy, protocolli proprietari basati su Ieee 802.15.4 e altri ancora. Ad alcuni dispositivi è richiesto il supporto di più protocolli. Per esempio un orologio da polso comunica sia con un monitor della frequenza cardiaca applicato mediante una fascia toracica utilizzando un protocollo wireless proprietario sia con un'applicazione che gira su un telefono mobile mediante Ble.

Processore applicativo - La scelta del processore principale è determinata dal tipo di dispositivo e dalle sue caratteristiche. Per esempio un controllore Arm Cortex-M può essere impiegato per una semplice fascia da polso, mentre uno smart watch richiede un processore applicativo capace di far girare un sistema operativo complesso come Android. Come affermato in precedenza, i processor Arm a 32 bit sono molto diffusi nei dispositivi indossabili in quanto assicurano le migliori prestazioni di elaborazione e i consumi più contenuti. I moderni controllori come ad esempio i dispositivi PSoC di Cypress integrano complesse funzioni analogiche e digitali programmabili unitamente a un core Arm Cortex-M all'interno di un unico chip sfruttando appieno le potenzialità dell'architettura Arm. Alcuni dispositivi avanzati prevedono un co-processore separato che esegue l'elaborazione dei dati provenienti dai sensori al posto del processore principale. La presenza di questo co-processore è necessaria perché il dispositivo può richiedere l'analisi contemporanea di un gran numero di dati provenienti dai sensori in tempo reale, fatto questo che richiede un coinvolgimento costante da parte della Cpu. Questo co-processore viene comunemente denominato "sensor hub".

Sistema operativo - In funzione del tipo e delle caratteristiche, un dispositivo indossabile può o meno richiedere un sistema operativo specifico. Per un semplice orologio da polso che esegue il monitoraggio della temperature, misura i movimenti mediante un accelerometro a 3 assi e visualizza le ore su un display Lcd a segmenti monocromatico è sufficiente un Rtos "leggero", mentre per uno smart watch progettato per essere un'estensione del telefono mobile dell'utente è richiesto un sistema operativo avanzato come Android. Allo stesso tempo i co-processori o "sensor hub" richiedono un firmware specifico con algoritmi sensibili al contesto.

Componenti di un indossabile
A questo punto un rapido esame dei componenti di un tipico sistema indossabile. Si tenga presente che in funzione del tipo di processore principale utilizzato, numerose funzioni periferiche possono essere integrate nel processore stesso. Per esempio la maggior parte dei dispositivi PSoC di Cypress integrano funzioni di rilevamento capacitivo, eliminando in tal modo il ricorso a controllore tattile separato. In modo del tutto analogo la linea PSoC4 (i prodotti di punta tra quelli dotati di core Cortex M0) integrano il circuito di pilotaggio per un Lcd a segmenti. Un sotto-sistema importante di un dispositivo "indossabile" è senza dubbio quello preposto all'acquisizione dati o sotto-sistema sensore. A seconda del tipo di dispositivo, esso potrebbe essere un sistema molto semplice, formato da alcuni sensori Mems, o uno più complesso con un "sensor hub" dedicato per l'interfacciamento con i sensori. I sensori Mems rivestono un ruolo importante nei dispositivi per fitness e wellness in quanto permettono di monitorare il movimento del corpo umano in tutte le direzioni. Per questo motivo essi sono anche chiamati sensori di movimento. Tutti questi sensori forniscono informazioni relative al movimento in forma digitale sfruttando un'interfaccia di comunicazione I2C o Spi. Accelerometri a 3 assi, giroscopi, magnetometri e altimetri barometrici sono alcuni esempi di sensori di questo tipo. L'altro insieme di sensori è rappresentato da sensori analogici utilizzati su vasta scala in dispositivi medicali e sanitari. I sensori biometrici come i monitor della frequenza cardiaca e gli E sono alcuni esempi tipici. I sensori analogici richiedono la presenza di un front-end analogico, che include al suo interno amplificatori operazionali, filtri e convertitori A/D, utilizzato per condizionare e convertire i segnali analogici in segnali digitali pronti per essere elaborati dalla Cpu. Una funzionalità di questo tipo è spesso integrata nella Cpu: un esempio è ancora una volta rappresentato dai dispositivi PSoC che, grazie alle loro funzioni di comunicazione possono essere usati direttamente come "sensor hub". Un altro sotto-sistema importante è rappresentato dall'interfaccia utente. Le modalità di interazione tra l'utente e il dispositivo indossabile è un aspetto da tenere nella massima considerazione. Esse devono essere di immediata comprensione, al fine di minimizzare la complessità. Il rilevamento tattile di tipo capacitivo si è dimostrato la tecnologia più intuitiva al momento disponibile. A secondo del tipo di applicazione, le interfacce capacitive sono implementate sotto diverse forme: touch screen, tasti, cursori solo per citare alcuni esempi. Alcuni elementi che costituiscono l'interfaccia utente, come LED, cicalini e sistemi che emettono vibrazione rappresentano un valido ausilio nell'implementazione della trasmissione di allarmi e riscontri dal dispositivo all'utilizzatore. Per esempio, uno smart watch connesso a un telefono mobile deve avvisare l'utente dell'arrivo di un messaggio. Per il pilotaggio di questi elementi la modulazione Pwm è essenziale. Essa viene impiegata per implementare determinate azioni su un Led, come ad esempio la variazione dell'intensità luminosa, nonché attivare differenti tipi di vibrazioni nel caso di un riscontro di tipo aptico. Tecniche di questo tipo richiedono una temporizzazione accurata e il frequente coinvolgimento della Cpu se implementate in firmware. Per questo motivo è importante scegliere un processore/controllore che supporta la modulazione Pwm in hardware. I dispositivi della linea PSoC4 di Cypress dispongono di blocchi Pwm hardware denominati Tcpwm.

Microcontrollori ad hoc
Escludendo i dispositivi per appplicazioni nel settore dell'infotainment avanzato che richiedono un processore applicativo, le Mcu possono essere utilizzate nella maggior parte degli attuali dispositivi indossabili. Le Mcu delle più recenti generazioni, inoltre, integrano un gran numero di funzionalità in un singolo chip, il che si traduce in una riduzione delle dimensioni complessive del dispositivo indossabile e del numero dei componenti richiesti e di consequenza dei costi. Un dispositivo PSoC può integrare: architettura Arm a 32 bit ad alta efficienza energetica; fino a 256 KB di flash e 64 KB di Ram; rilevamento tattile capacitivo; pilotaggio di Lcd a segmenti; Pwm hardware; funzioni di comunicazione tramite Spi/I2C/Uart; front end analogico (comparatori, convertitore A/D a 12 bit di tipo Sar); interfaccia Usb 2.0 Full-Speed. Come esempio applicativo si consideri lo schema a blocchi di uno smart watch che può essere implementato mediante un PSoC e alcuni componenti esterni (Fig. 3). Osservando lo schema si può comprendere meglio la realizzazione a livello di sistema e la funzione svolta dal PSoC per accelerare lo sviluppo della soluzione. I box raffigurati in blu rappresentano le funzioni che possono essere integrate in un PSoC.

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