可穿戴電子中的低功耗藍(lán)牙技術(shù)

智能手機(jī)在眾多成熟市場(chǎng)的高普及率以及更低成本MEMS傳感器的普遍應(yīng)用使可穿戴設(shè)備獲得了廣泛認(rèn)可?？纱┐髟O(shè)備具有很高的便攜性，可以穿戴或附著在身體上，并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器測(cè)量/采集信息。圖1給出了可穿戴設(shè)備的一般信息流程圖。

圖1：可穿戴設(shè)備-信息流程

我們根據(jù)服務(wù)細(xì)分市場(chǎng)或者穿戴部位對(duì)可穿戴設(shè)備進(jìn)行大致的分類。表1給出了可穿戴設(shè)備的種類和典型用例。

表1：可穿戴設(shè)備的分類(*身體：包括手臂、軀干和腿)

大部分可穿戴設(shè)備都配有一個(gè)或多個(gè)傳感器、處理器、存儲(chǔ)器、連接器(無(wú)線電控制器)、顯示器和電池。圖2給出了一個(gè)活動(dòng)監(jiān)控器的實(shí)例。

圖2：方框圖-活動(dòng)監(jiān)控器(可穿戴設(shè)備)

由于要將此類設(shè)備穿戴在身上，因此除了基本功能以外，還有其它一些因素也決定該設(shè)備能否被消費(fèi)者接受，具體包括：

●支持的通信模式

●平均電池使用壽命

●低成本

●產(chǎn)品的尺寸和重量

以下幾節(jié)將詳細(xì)介紹這些因素。

市場(chǎng)上存在多種不同的通信協(xié)議，有些是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi，還有一些是芯片廠商開發(fā)的專有協(xié)議。Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并未將低功耗作為主要設(shè)計(jì)特性，因此大部分OEM廠商選擇使用專有協(xié)議。專有協(xié)議的使用在很大程度上限制了這些可穿戴產(chǎn)品的靈活性，使其只能與采用相同專有協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行交互操作。

為了消除這種局限性，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)推出了低功耗藍(lán)牙(BLE)技術(shù)，將其作為功耗最低的短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。與經(jīng)典藍(lán)牙一樣，BLE也在具有1Mbps帶寬的2.4GHz ISM頻帶下工作。BLE最顯著的特性如下：

●低數(shù)據(jù)速率-理想適用于只需要交換狀態(tài)信息的應(yīng)用。

●該協(xié)議能夠在固定時(shí)間間隔內(nèi)突發(fā)地傳送簡(jiǎn)短信息，因此在不發(fā)送信息時(shí)主機(jī)處于低功耗模式。

●該協(xié)議將建立連接到數(shù)據(jù)交換所需的時(shí)間縮短至幾毫秒。

●架構(gòu)中的每個(gè)層都經(jīng)過(guò)了精心優(yōu)化以降低功耗

o物理層的調(diào)制指數(shù)與經(jīng)典藍(lán)牙相比有所增加，有助于減少發(fā)送電流和接收電流。

o經(jīng)優(yōu)化的鏈路層可實(shí)現(xiàn)快速重新連接，以降低功耗。

o控制器可實(shí)現(xiàn)各種關(guān)鍵任務(wù)，例如建立連接以及忽略復(fù)制數(shù)據(jù)包，因此能夠讓主機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間地處于低功耗模式。

●采用類似于經(jīng)典藍(lán)牙的穩(wěn)健可靠架構(gòu)，支持自適應(yīng)跳頻，具有32位CRC校驗(yàn)功能。

●僅支持廣播模式;不必對(duì)設(shè)備執(zhí)行連接操作。

BLE與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙無(wú)線電不兼容，因?yàn)樗鼈兪遣煌募夹g(shù)。不過(guò)，雙模藍(lán)牙設(shè)備既支持BLE也支持經(jīng)典藍(lán)牙。采用了藍(lán)牙智能就緒型主機(jī)(雙模設(shè)備)之后，BLE運(yùn)行時(shí)就無(wú)需使用收發(fā)器，這與專有協(xié)議形成了鮮明對(duì)比。

以上介紹的BLE協(xié)議可以完美地應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，原因如下：

●該協(xié)議為實(shí)現(xiàn)超低功耗進(jìn)行了精心優(yōu)化。

●低功耗有助于減小電池尺寸，從而縮減產(chǎn)品成本、尺寸和重量。

●由于智能手機(jī)中采用BLE智能就緒型主機(jī)，因此便于實(shí)現(xiàn)該協(xié)議。

●可穿戴設(shè)備在很長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)交換少量的突發(fā)信息。

通信協(xié)議只是可穿戴設(shè)備中的一部分，除了通信接口以外，可穿戴設(shè)備還包含多種其它模塊，例如傳感器、用來(lái)處理傳感器信號(hào)的模擬前端、用來(lái)濾除環(huán)境噪聲的數(shù)字信號(hào)處理模塊、用于記錄信息的存儲(chǔ)器、用于執(zhí)行多種系統(tǒng)相關(guān)功能的處理器，以及電池充電器等等。

圖3：光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器-腕帶

圖3給出了光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器腕帶的典型實(shí)現(xiàn)方案。光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器采用PPG原理，利用光學(xué)技術(shù)來(lái)檢測(cè)血液量的變化。該技術(shù)利用LED燈照亮身體組織，同時(shí)使用光電二極管來(lái)測(cè)量攜帶血液量變化信息的反射信號(hào)。跨阻抗放大器(TIA)可用于將光電流轉(zhuǎn)化為電壓。隨后，通過(guò)ADC將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。然后在固件中對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，以消除DC偏移和高頻噪聲，進(jìn)而檢測(cè)心跳。此外，濾波過(guò)程也可在模擬域利用有源濾波器實(shí)現(xiàn)。將心跳信息發(fā)送到BLE控制器，再通過(guò)藍(lán)牙鏈路發(fā)送到支持BLE的設(shè)備中。有些光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器采用獨(dú)立控制器執(zhí)行心率處理，而控制器通過(guò)I2C/SPI/IART通信協(xié)議與主處理器進(jìn)行通信。

在這類系統(tǒng)中，使用多個(gè)分立組件不僅使系統(tǒng)變得比較復(fù)雜(不同部件之間要電氣兼容，還需要進(jìn)行測(cè)試)，而且會(huì)增加功耗(因?yàn)樵诓皇褂脮r(shí)缺少對(duì)AFE的控制)、材料清單成本以及PCB的尺寸。

為了解決這些問(wèn)題，眾多廠商都推出了基于片上系統(tǒng)(SoC)架構(gòu)的器件。這些器件不僅具有控制器，而且包含模擬與數(shù)字子系統(tǒng)，利用這些子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大部分基本的模擬前端和數(shù)字功能。賽普拉斯基于可編程片上系統(tǒng)(PSoC)架構(gòu)的PSoC 4 BLE就屬于這類控制器。該器件是真正的面向可穿戴市場(chǎng)的SoC，因?yàn)樗?8MHz Cortex M0 CPU、可配置模擬與數(shù)字資源以及一個(gè)內(nèi)置的BLE子系統(tǒng)。圖4給出了PSoC 4 BLE器件的架構(gòu)。

圖4：PSoC 4 BLE架構(gòu)

該器件的模擬前端部分包含四個(gè)未經(jīng)配置的運(yùn)算放大器，兩個(gè)低功耗比較器，一個(gè)高速SAR ADC，以及一個(gè)用戶界面專用的電容式感應(yīng)模塊。數(shù)字部分則包含兩個(gè)串行通信模塊(SCB)，可用于實(shí)現(xiàn)I2C/UART/SPI協(xié)議;四個(gè)16位硬件定時(shí)器計(jì)數(shù)器PWM(TCPWM);以及四個(gè)通用數(shù)字模塊(UDB)，其就像FPGA一樣可用來(lái)在硬件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯。

圖5給出了利用PSoC 4 BLE器件實(shí)現(xiàn)上述腕帶產(chǎn)品的方法。

圖5：光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器-腕帶-PSoC 4 BLE

在這種實(shí)現(xiàn)方案中，PSoC 4 BLE器件可利用其內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)所有功能。控制器外部所需的組件只包括幾個(gè)無(wú)源元件，以及一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED并作為RF匹配網(wǎng)絡(luò)一部分的晶體管。這種集成式方案可以控制AFE的功耗，在AFE不使用時(shí)將其禁用，從而減少材料清單成本和PCB尺寸。除了以上優(yōu)勢(shì)外，使用SoC架構(gòu)還有助于加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程，原因如下：

●提供用于系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)成固件IP

●各個(gè)模塊位于同一塊芯片，進(jìn)行互操作時(shí)無(wú)需耗費(fèi)大量時(shí)間

●靈活的可配置環(huán)境允許在最后階段實(shí)現(xiàn)更改

在一些設(shè)計(jì)中，Cortex-M0內(nèi)核無(wú)法滿足處理性能要求，這種情況下可使用M3內(nèi)核來(lái)處理系統(tǒng)相關(guān)功能，同時(shí)，采用基于BLE的SoC(例如PSoC 4 BLE)控制藍(lán)牙通信以及AFE和數(shù)字邏輯。

結(jié)論：

智能手機(jī)和平板電腦等藍(lán)牙智能就緒型設(shè)備越來(lái)越多地得到普及，同時(shí)BLE又具備顯著的優(yōu)勢(shì)，這些因素使得BLE成為了常用的可穿戴產(chǎn)品通信協(xié)議。在認(rèn)可了BLE的利基理念之后，各個(gè)芯片廠商還開發(fā)了BLE控制器，有些還生產(chǎn)出了支持BLE的SoC.支持BLE的SoC有助于降低系統(tǒng)功耗、材料清單成本和產(chǎn)品尺寸，從而使可穿戴市場(chǎng)更具吸引力和充滿美好前景。