低功耗藍牙為可穿戴設備帶來高能效通信

可穿戴設備應用廣泛，包括醫(yī)療保健、運動健身、游戲、生活方式、工業(yè)和軍事。它們監(jiān)測身體的各個部位，包括眼睛（智能眼鏡），脖子（項鏈或衣領耳機），手（手套），手腕（活動監(jiān)視器和睡眠傳感器），腳（智能襪子和鞋子）和專用區(qū)域，例如跟蹤設備或運動傳感器所需的區(qū)域。可穿戴設備通常配備傳感器、處理器、存儲、連接鏈接（用于上傳數(shù)據和下載更新）、顯示器和電池。圖 1 顯示了典型活動監(jiān)視器的框圖。

圖 1：可穿戴活動監(jiān)視器的框圖。

可穿戴設備引入了幾個必須考慮的設計因素，并且可能與其他類型的嵌入式設備不同。由于這些設備是磨損的，因此尺寸和重量至關重要。平均電池壽命也很重要，因為可穿戴設備必須在有限的電池電量下運行。對于基于消費者的應用，低成本至關重要。所需的處理器類型和所需的存儲量取決于可穿戴設備必須支持的用例。例如，運動傳感器提供必須傳輸?shù)倪B續(xù)數(shù)據流;相比之下，活動監(jiān)視器不斷收集數(shù)據，對其進行處理以確定當前正在執(zhí)行的活動，然后記錄此元數(shù)據以供以后下載。

低功耗通信

可穿戴設備的通信方式對關鍵設計因素有重大影響。OEM有許多通信協(xié)議可用于可穿戴設備。經典藍牙、ZigBee 和 Wi-Fi 等成熟標準具有很強的市場滲透率，但其設計初衷并不是以低功耗為主要設計考慮因素。因此，許多原始設備制造商已經轉向專有協(xié)議來實現(xiàn)必要的能源效率。然而，專有協(xié)議可能會限制可穿戴設備的靈活性和市場范圍，因為它們將互操作性限制為僅支持相同專有協(xié)議的設備。

為了滿足可穿戴設備和其他低功耗應用的要求，藍牙特別興趣小組開發(fā)了低功耗藍牙（BLE）。BLE專注于實現(xiàn)短距離通信的最低功率。BLE 在經典藍牙使用的 2.4 GHz ISM 頻段內運行，使設備能夠利用現(xiàn)有的藍牙無線電技術來降低成本。

BLE提供1 Mbps的帶寬，對于大多數(shù)可穿戴應用來說綽綽有余。通常，可穿戴應用還需要提供狀態(tài)信息，而不必在傳輸之間記錄大量數(shù)據。

為了最大限度地降低功耗，BLE架構在每一層都進行了優(yōu)化：

物理層 –增加PHY調制指數(shù)可降低發(fā)射和接收電流

鏈路層 –快速重新連接可縮短總體傳輸時間

控制器層 –更智能的控制器處理諸如建立連接和忽略重復數(shù)據包之類的任務。以這種方式卸載主機處理器可使處理器更長時間地保持待機或睡眠模式

協(xié)議層 –用于交換數(shù)據的連接設置時間減少到幾毫秒。該協(xié)議還經過優(yōu)化，可定期突發(fā)小數(shù)據塊。這使得主機處理器能夠在未傳輸信息時最大限度地利用待機或休眠模式的時間。

廣播公司模式 –可穿戴設備只能在廣播公司模式下運行，無需設備進行連接程序

堅固的架構 –BLE 支持 32 位 CRC 的自適應跳頻，以確保更可靠的傳輸

BLE的超低功耗使其成為可穿戴設備的理想選擇。其效率可減小電池尺寸，從而降低設備成本、尺寸和重量。

雖然低功耗藍牙基于藍牙技術，但它與標準藍牙無線電不兼容。但是，雙模式無線電可用于支持藍牙經典和BLE。雙模設備（稱為藍牙智能就緒主機）無需使用加密狗，這是使用專有協(xié)議時所需的。BLE智能就緒主機在智能手機中的易用性為消費者提供了一種簡單且經濟高效的方式來連接到可穿戴設備。

復雜的全包裝設計

通信只是可穿戴架構的一部分。除其他組件外，這些設備還必須具有：

用于處理原始傳感器信號的模擬前端

數(shù)字信號處理功能可濾除噪聲并提供高級后處理

存儲

用于高級系統(tǒng)功能的處理器

充電器

圖 2 詳細介紹了作為腕帶實現(xiàn)的光學心率監(jiān)測器。這種類型的設備使用LED來照亮組織，由光電二極管測量的反射信號攜帶有關血容量變化的信息?？缱杩?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器將光電二極管電流轉換為電壓，該電壓由ADC轉換為數(shù)字信號。在檢測到心跳之前，需要對數(shù)字信號進行濾波以消除直流失調和高頻噪聲。該信息被傳遞到BLE控制器進行傳輸?；蛘?，心率可以在傳輸之前由可穿戴設備計算。

圖 2：腕帶光學心率監(jiān)測器的框圖。

多個分立元件使系統(tǒng)設計復雜化。每個額外的組件也會增加功耗、系統(tǒng)尺寸和成本。為了最大限度地減少這些因素，OEM可以利用片上系統(tǒng)（SoC）架構，將控制器與必要的模擬和數(shù)字組件集成在一起。例如，賽普拉斯的PSoC BLE旨在滿足可穿戴市場的嚴格要求。它集成了一個 40 MHz 的 Cortex M0 CPU 和可配置的模擬和數(shù)字資源，并具有內置的 BLE 子系統(tǒng)。

圖 3 顯示了使用 PSoC BLE 的心率監(jiān)測器的實現(xiàn)。對于模擬前端，四個未配置的運算放大器、兩個低功耗比較器、一個高速SAR ADC和一個專用電容式檢測模塊可實現(xiàn)先進的基于觸摸的用戶界面。對于數(shù)字處理，可以使用兩個串行通信模塊來支持 I2C、UART 和 SPI 接口。該處理器還具有四個16位硬件定時器計數(shù)器脈寬調制器和四個通用數(shù)字模塊，用于在硬件中實現(xiàn)數(shù)字邏輯，類似于邏輯在FPGA中的實現(xiàn)方式。

圖 3：使用 PSoC 4 BLE 片上系統(tǒng)的腕帶光學心率監(jiān)測器的框圖。

對于此應用，控制器外部唯一需要的外部元件是一些無源元件，一個用于驅動LED的晶體管，以及RF匹配所需的元件。集成其他組件的一個優(yōu)點是對系統(tǒng)電源的更好控制。例如，開發(fā)人員可以在不使用模擬前端時將其禁用。

藍牙智能就緒在智能手機、平板電腦和其他便攜式設備中的就緒可用性使低功耗藍牙成為可穿戴應用中通信協(xié)議的絕佳選擇。借助基于 SoC 的 BLE 控制器，OEM 可以最大限度地降低功耗、設備尺寸和系統(tǒng)成本，使其可穿戴設計更具吸引力和競爭力。

審核編輯：郭婷