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October 14, 2015 14:00

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Der unaufhaltsame Fortschritt tragbarer Elektronik

Die Umwandlung elektronischer Systeme in tragbare Geräte gilt inzwischen als zunehmend beliebte Design-Option. Dank diverser Fortschritte im Bereich Prozesstechnologie und in Sachen Wireless-Protokollen können tragbare elektronische Geräte in eine Vielzahl von Formfaktoren für viele verschiedene Anwendungen integriert werden – und das ist nur der Anfang.

Zwei Schlüsselfaktoren wurden miteinander verschmolzen, um diese beachtliche Entwicklung zu ermöglichen: Zum einen ermöglichen die aktuellen Fortschritte in der Prozesstechnologie stets niedrigere Energieaufnahmen und höhere Rechenleistungen, sodass Entwickler die Funktionalität mit der Akku- Laufzeit tauschen können. Zum anderen ist eine neue Generation an Wireless-Protokollen in der Lage, standardisierte Low-Power-Verbindungen zwischen tragbaren Systemen und einem Smartphone zu ermöglichen. Auf diese Weise entfällt der Bedarf von einem speziellen Terminal zur Nutzung dieser Technologie, sodass tragbare Elektronik letztlich Milliarden Smartphone-Nutzern zur Verfügung steht.

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Dabei zog diese Entwicklung weder an dem weltweit größten Hersteller von Halbleitern, noch am weltweit umfassendsten System für Mikroprozessoren unbemerkt vorbei. Die Edison Plattform von Intel bringt eine x86-basierte Software für tragbare Geräte auf den Markt, während Hunderte Chip-Hersteller Prozessoren mit 32-bit ARM Architektur in tragbare Geräte mit besonders geringer Leistungsaufnahmen integrieren.

Die Bluetooth Spezifikation mit geringer Leistungsaufnahme, besser bekannt als Bluetooth Smart, startet mit der Version 4.0 und baut auf vorherigen Versionen auf, damit ein Bluetooth-Knoten sowohl als Peripherie-Gerät, als auch als Controller auftreten kann um die Herstellung zuverlässiger Verbindungen zu unterstützen. Bluetooth Smart ist zudem für tragbare Anwendungen mit kurzer Reichweite und einer verringerten Datenrate optimiert, um die Akku-Haltezeit in dem Knoten um ein Vielfaches zu verlängern. Das bedeutet, dass tragbare Systeme mühelos mit einem Smartphone kommunizieren können und dieses sowohl als Controller, als auch als Verbindungspunkt mit dem Internet nutzen können. Zu besonders beliebten Anwendungen zählen hierbei verschiedenste Fitness-Tracker, Smartwatches und ähnliche tragbare Geräte zur Überwachung des Gesundheitsstatus – für Kleinkinder bis hin zu Erwachsenen. Sensoren und Controller können darüber hinaus in Handschuhe und ähnliches integriert werden, um die Produktivität bei der Arbeit zu steigern.

Doch damit noch längst nicht genug: Tragbare Technologie wächst noch weiter. So werden Kameras mit Übertragungssystemen beispielsweise in Trikots von Fußballspielern oder sogar in tragbare Mini-Drohnen integriert, die direkt von Ihrer Schulter aus abheben und Menschen auf eine neue Art miteinander verknüpfen können.
Für die Entwicklung tragbarer Systeme sind zahlreiche Plattformen verfügbar – angefangen bei 16-Bit Ultra-Low Power Controllern bis hin zu neuesten 32-Bit Hochleistungssystemen.

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Intels Edison Platine  verfügt über eine doppelt verschraubte Dual-Core 500MHz Intel Atom CPU und einen 100MHz Intel Quark Mikrocontroller mit 1GB an Low-Power DDR3-Speicher, 4GB Flash-Speicher sowie WLAN und Bluetooth 4.0. Mit 40 konfigurierbaren 1,8 V GPIO-Leitungen und Breakout-Boards zu anderen Plattformen wie beispielsweise Arduino kann die Platine zur Entwicklung eines breiten Spektrums an tragbaren Anwendungen mit Yocto Linux 1.6 und einem Echtzeit-Betriebssystem verwendet werden.

 

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Der LilyPad Arduino mit einem Durchmesser von 50 mm basiert auf dem ATMega32u4 Mikrocontroller von Atmel und wurde speziell für tragbare Geräte und e-Textilien entwickelt: Mit Hilfe leitfähiger Fäden kann er mühelos an Stoffe und auf ähnliche Weise montierten Netzteilen, Sensoren und Stellgliedern angebracht werden. Er verfügt über neun digitale E/A-Pins – vier davon können als PWM-Ausgänge verwendet werden, vier andere dienen als Analogeingänge – sowie über einen 8-MHz-Resonator, einen Micro USB Anschluss, einen JST Steckverbinder für einen leichten 3,7-V-Lithium-Polymer-Akku und über eine Reset-Taste. Dank des integrierten USB-Anschlusses kann die Platine zudem als Maus und Tastatur angezeigt werden, um mühelos Daten in beide Richtungen auszutauschen. 

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Für Smartwatch-Designs hat Texas Instruments ein Bluetooth-basiertes Smartwach-Entwicklungssystem namens Chronos entwickelt. Dabei wird der ez430 16-Bit Mikrocontroller-Core in einem einzelnen Chip mit kabellosen Anschlüssen in dem lizenzfreien 868-MHz-Band für die EU und dem 915-MHz-Band für die USA untergebracht. Somit kann das Smartwatch-Design als zentraler Hub für in der Nähe angebrachte Wireless-Sensoren wie Schrittzähler und Herzfrequenzmessern dienen. Darüber hinaus wird auch eine LCD-Anzeige mit 96 Segmenten, einem Drucksensor und einem dreiachsigen Beschleunigungssensor integriert, sodass Entwickler ihren ganz eigenen, innovativen bewegungsempfindlichen Regel-Algorithmus ausarbeiten können.

Mikrocontroller wie der EFM32LG Leopard Gecko von Silicon Labs  wurden für eine ultra-geringe Leistungsaufnahme entwickelt und eignen sich somit ideal für tragbare Geräte: Dabei werden Teile des Chips abgeschaltet, wenn diese nicht verwendet werden, und bei Bedarf im Handumdrehen wieder eingeschaltet. Diese Reihe an Geräten kombiniert einen 32-Bit ARM Cortex-M3 Core mit einer Vielzahl an Peripheriegeräten, die für die optimale Balance an Performance und Leistungsaufnahme direkt an die Anforderungen des Designs angepasst werden können. 

Zukünftige Trends

Das Potenzial von tragbarer Technologie ist bislang lediglich zu einem verschwindend geringen Bruchteil ausgeschöpft. Die Bluetooth Special Interest Group erweitert Bluetooth Smart, um auch ein Mesh-Protokoll einfügen zu können. Somit könnten sich Geräte rund um den Körper mühelos miteinander verbinden und ein Personal Area Network (PAN) mit ultra-geringer Leistungsaufnahme erstellen, das mühelos von einem Smartphone aus gesteuert werden kann.

Fortschritte in der Fertigungstechnologie versprechen zudem neuartige Funktionen für tragbare Systeme. Flexible, gedruckte Elektronik-Substrate verringern das Gewicht der Systeme und erleichtern somit deren Integration in Kleidungsstücke. Somit kann ein Netzwerk an Sensoren und Controllern rund um den Körper mit einer ganzen Reihe an Funktionen errichtet werden.

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Image credit- RIT.edu.

 

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October 14, 2015 14:00

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